כוכבים בעלי מסה שונה מתפתחים בקצבים שונים. אם יש להם מסה גבוהה הם יתפתחו במהירות אך אם מסת נמוכה הם יתפתחו לאט. כל הכוכבים בסדרה הראשית חייבים בסופו של דבר לסיים את מימן הנמצא בליבתם. כאשר הדבר מתרחש המאפיינים שלהם ישתנו הם יעזבו את הסדרה הראשית בדיאגרמת H-R .
כאשר כוכב בסדרה הראשית סיים להמיר את כל מימן בליבה שלו להליום, הליבה תתמוטט משום שחדל הלחץ כלפי חוץ של תגובות ההיתוך. כאשר הליבה מתמוטטת, הטמפרטורה שלה (וטמפרטורה ברדיוס מעט גדול יותר) עולה. ממש מחוץ לליבה, אנו מוצאים טמפרטורות ולחץ גבוהים דיים כדי למזג מימן להליום בקליפה החיצונית לליבה – שלב שנקרא שריפת מימן קליפתי. הליבה המתמוטטת משחררת אנרגיה כבידתית, יוצרת לחץ כלפי חוץ ומזיזה את המימן בשכבות החיצונית כלפי חוץ. טמפרטורות בליבה מוסיפות לעלות וגורמות התרחבות השכבות החיצוניות, תהליך הגורם לכוכב להפוך במהירות לענק אדום. השכבות החיצוניות גדילות לממדי ענק, עוביין קטן והטמפרטורה שלהן יורדת. זאת בניגוד לליבה ההולכת ומתכווצת, ממדיה קטינים, והיא נעשית חמה יותר וצפופה יותר. שכבות החיצוניות של הכוכב זוהרות בצבע אדום עמום, והכוכב נקלט באמצעי התצפית כענק אדום.
בכוכב העוזב את הסדרה הראשית הליבה מתחילה להתכווץ ומשפיעה על ממדי השכבות החיצוניות. המאפיינים של הכוכב נקלטים ע"י אסטרונומים בכדור הארץ הם של השכבה החיצונית בכוכב. מאפיינים אלה קובעים את מיקומו של הכוכב בדיאגרמת H-R. כאשר אתה יוצא החוצה בלילה ומסתכל על Betelgeuse או אנטארס, אתה רואה את השכבה החיצונית קרירה, בצבע אדום. בפנים הכוכב חבויה ליבה חמה מאוד וצפופה. לכן, למרות שאנו יכולים לומר ש"כוכב" קר בשל צבעו האדום, הרי שלמעשה מדובר רק בשכבה החיצונית. באותו זמן הליבה מצטמצמת וצפיפותה עולה. הליום נוסף לליבה כל הזמן משריפת המימן בשכבה העוטפת את הליבה.
קוטרם של הענקים האדומים באמת עצום – מתקרב 1000 פעמים את גודל השמש. אם השמש תוחלף באחד הכוכבים האלה, השכבה החיצונית שלה תגיע כמעט למסלול צדק! מכיוון שהשכבות החיצוניות של הכוכב מתרחבות, הן רחוקות יותר ממרבית מסת הכוכב. משמעות הדבר שפועלת עליהן משיכה גרביטציונית קטנה יותר מליבת הכוכב ויכולות להתרחק ממנה בקלות רבה יותר. הכוכב מפתח "רוח" ומתחיל לאבד מסה מן השכבות החיצוניות שלו. זהו אחד מהמצבים שבהם חומר כוכבי חוזר למרחב הבינכוכבי.
כוכבים בכל הנקודות לאורך הסדרה הראשית מציגים אפקט התכנסות: כאשר הם נעים מהסדרה הראשית לעבר מסלולי ההתפתחות שלהם באזור הענקים האדומים. הם דומים לחולים מכל תחומי החיים המצטופפים באותו בית חולים משום שהם קורבנות של אותו מצב – מחסור במימן.
השלב הבא של בהתפתחות הכוכבים תלוי במסתם. בכוכבי בעלי מסה נמוכה קורה דבר מוזר – כאשר הליבה חוזרת ומתחממת, היא מגיעה לצפיפות שבה האלקטרונים מתנוונים. יש גבול פיזי שבו ניתן לכלוא אלקטרונים יחד, בטמפרטורה נתונה. גבול זה נקבע על ידי עקרון קוונטי לפיו שני חלקיקים לא יכולים להיות בעלי אותם מאפיינים בדיוק; ההשפעה של עקרון זה היא יצירת כמעין לחץ כלפי חוץ. עבור כוכבים אלה (בעלי מסה הקטנה מ -2 מסות שמש), הליבה מצליחה לעמוד בפני כוח הכבידה באמצעות הלחץ שיוצרים האלקטרונים המנוונים, המחליף את הלחץ שנוצר קודם כתוצאה מתגובות גרעיניות. לכוכבים מסיביים יותר, כוח הכבידה גדול דיו כדי להתגבר על הלחץ האלקטרונים המנוונים ועל הליבה עוברים שלבי התכווצות נוספים.
בשני המקרים, הליבות של הכוכבים האלה מתפתחות עד שהם מגיעים לטמפרטורות הקרובות ל- 200 מיליון קלווין. די בטמפרטורה זו כדי להתחיל במיזוג של גרעיני הליום בליבתם של רוב הכוכבים, מיזוג זה מתבצע בעיקר על ידי "תהליך שלושה אלפא" (על שם חלקיק אלפא, שהוא אינו אלא גרעין הליום -4):
4He + 4He → 8Be + photon
8Be + 4He → 12C + photon
בתהליך זה, שלושה גרעיני הליום-4 מתמזגים ויוצרים גרעין פחמן -12. מכיוון שבריליום 8 אינו יציב, כמה אטומי בריליום מתפרקים לפני השלמת התהליך. תוצא זה רק מפחית את היעילות של התהליך. הוא גם גורם לגרעין בריליום ליצור את היסודות השכנים שלו בטבלה המחזורית. לתוצא זה השפעה על השינוי תלול בכמות היסודות הבאים לאחר המימן וההליום בגרף כמות היסודות בכדור הארץ. שימו לב אנחנו עוסקים בהיתוך הליום ליסוד כבד עוד יותר – הפחמן. פחמן הוא הבסיס לחיים על כדור הארץ, ולכן זהו שלב חשוב.
"תהליך שלוש אלפא" מייצר אנרגיה בכמות פנטסטית. ברוב המקרים שריפה של יסודות בליבות הכוכבים, נשלטים על ידי המגבלה של טמפרטורת הליבה. אם הליבה מתכווצת מעט, הטמפרטורה עולה וקצב שריפת היסודות בליבה עולה. הדבר מוביל לעלית הלחץ המתנגד לכוח המשיכה והליבה מתרחבת, אזי הטמפרטורה יורדת והתגובות מאטות. בכוכבים קלים, קורה משהו אלים יותר כאשר שריפת הליום מתחילה בליבה. העובדה כי ליבות אלה מנוונות בשלב זה עושה את כל ההבדל. מכיוון שהלחץ בגז מנוון אינו תלוי בטמפרטורה, כאשר תהליך האלפא המשולש מתחיל והחום מתחיל לעלות, אין עלייה מתאימה בלחץ. לכן, הליבה אינה מתרחבת, והטמפרטורה אינה יורדת. במקום זאת, קצב שריפת הליום באירוע זה מוסיף לגדול ואז משתחרר הבזק הליום. מכיוון שהאנרגיה מההבזק מתפזרת לאט דרך שכבות הכוכב, השפעות החימום הנראות על פני השטח יכולות להימשך אלפי שנים. הבזק מתרחש כשהכוכב מתפוצץ ונעשה ענק. תהליך זה מתרחש בכוכב מסוגה של השמש במשך 300 מיליון שנים לאחר שעזב את הסדרה הראשית. בכוכבים מסיביים יותר, הליבה אף פעם אינה הופכת מנוונת, ושריפת הליום מתחילה בדרך מתונה יותר. בכל מקרה, מסה נמוכה או גבוהה, תחילת שריפת הליום היא שלב חדש של בהתפתחות הכוכב, שעובר למקום אחר בדיאגרמת H-R.