Hertzsprung-Russellův diagram (HR diagram) je jedním z nejdůležitějších nástrojů při studiu hvězdné evoluce. Nezávisle vyvinuté na počátku 20. století Ejnarem Hertzsprungem a Henrym Norrisem Russellem vykresluje teplotu hvězd proti jejich svítivosti (teoretický HR diagram) nebo barvu hvězd (nebo spektrální typ) proti jejich absolutní velikosti (pozorovací HR diagram, také známý jako diagram barevné velikosti).
V závislosti na počáteční hmotě prochází každá hvězda konkrétními vývojovými stádii diktovanými její vnitřní strukturou a tím, jak vyrábí energii. Každá z těchto fází odpovídá změně teploty a svítivosti hvězdy, kterou lze pozorovat při vývoji HR do různých oblastí na HR diagramu. To odhaluje skutečnou sílu HR diagramu – astronomové mohou znát vnitřní strukturu hvězdy a vývojový stupeň jednoduše určením její polohy v diagramu.

Hertzsprung-Russellův diagram různých stádií hvězdné evoluce. Zdaleka nejvýznamnějším prvkem je hlavní sekvence (šedá), která probíhá od levého horního rohu (horké, zářící hvězdy) do pravého dolního rohu (chladné, slabé hvězdy) diagramu. Obří větev a superobří hvězdy leží nad hlavní sekvencí a pod ní se nacházejí bílí trpaslíci.
Uznání: R. Hollow, CSIRO.

Tento Hertzsprung-Russellův diagram ukazuje skupinu hvězd v různých fázích jejich vývoje. Zdaleka nejvýznamnějším prvkem je hlavní sekvence, která probíhá od levého horního rohu (horké, světelné hvězdy) po pravou dolní část (chladné, slabé hvězdy) diagramu. Obří větev je také dobře osídlená a je zde mnoho bílých trpaslíků. Rovněž jsou vyneseny třídy svítivosti Morgan-Keenan, které rozlišují mezi hvězdami se stejnou teplotou, ale odlišnou svítivostí. – >
HR diagram má 3 hlavní oblasti (nebo vývojové fáze):

1. Hlavní posloupnost táhnoucí se zleva nahoře (horká, světelná hvězdy) vpravo dole (chladné, slabé hvězdy) dominuje HR diagramu. Právě zde hvězdy tráví asi 90% svého života spalováním vodíku na helium v jejich jádrech. Hvězdy hlavní sekvence mají třídu svítivosti Morgan-Keenan označenou V.
2. červený obr a hvězdy nadobří (třídy svítivosti I až III) zabírají oblast nad hlavní sekvencí. Mají nízké povrchové teploty a vysoké svítivosti, což podle zákona Stefan-Boltzmann znamená, že mají také velké poloměry. Hvězdy vstupují do této vývojové fáze, jakmile vyčerpají vodíkové palivo ve svých jádrech a začnou spalovat hélium a další těžší prvky.
3. bílé trpasličí hvězdy (třída svítivosti D) jsou konečným vývojovým stupněm nízké až střední hmotné hvězdy a nacházejí se v levé dolní části HR diagramu. Tyto hvězdy jsou velmi horké, ale díky své malé velikosti mají nízkou svítivost.

Slunce se nachází v hlavní posloupnosti se svítivostí 1 a teplotou kolem 5 400 Kelvinů.
Astronomové obecně používají HR diagram buď ke shrnutí vývoje hvězd, nebo k prozkoumání vlastností sbírky hvězd. Zejména vykreslením HR diagramu pro kulovou nebo otevřenou hvězdokupu mohou astronomové odhadnout věk hvězdokupy, odkud se zdá, že hvězdy vypínají hlavní sekvenci (jak to funguje, viz položka v hlavní sekvenci).