Hertzsprung-Russell-kaavio (HR-kaavio) on yksi tärkeimmistä työkaluista tähtien evoluution tutkimuksessa. Ejnar Hertzsprung ja Henry Norris Russell kehittivät itsenäisesti 1900-luvun alussa, ja se piirtää tähtien lämpötilan niiden kirkkautta vastaan (teoreettinen HR-kaavio) tai tähtien väriä (tai spektrityyppiä) vastaan niiden absoluuttista suuruutta (havainnoiva HR-kaavio, tunnetaan myös nimellä väri-suuruuskaavio).
Jokainen tähti käy läpi alkuperäisestä massastaan riippuen tietyistä evoluutiovaiheista, jotka sanelee sen sisäinen rakenne ja kuinka se tuottaa energiaa. Jokainen näistä vaiheista vastaa muutosta tähden lämpötilassa ja kirkkaudessa, jonka voidaan nähdä siirtyvän HR-kaavion eri alueille sen kehittyessä. Tämä paljastaa HR-kaavion todellisen voiman – tähtitieteilijät voivat tietää tähden sisäisen rakenteen ja evoluutiovaiheen yksinkertaisesti määrittämällä sen sijainnin kaaviossa.

Hertzsprung-Russell kaavio tähtien evoluution eri vaiheista. Ylivoimaisesti merkittävin piirre on pääjakso (harmaa), joka kulkee kaavion vasemmasta yläkulmasta (kuumat, valotähdet) oikeaan alakulmaan (viileät, heikot tähdet). Jättimäinen haara ja suurjätitähdet sijaitsevat pääjärjestyksen yläpuolella, ja sen alapuolella on valkoisia kääpiöitä.
Luotto: R. Hollow, CSIRO.

Tämä Hertzsprung-Russell-kaavio näyttää tähtiryhmän evoluutionsa eri vaiheissa. Ylivoimaisesti merkittävin piirre on pääjärjestys, joka kulkee kaavion vasemmasta yläkulmasta (kuumat, valotähdet) oikeaan alakulmaan (viileät, heikot tähdet). Jättiläinen haara on myös hyvin asuttu ja siellä on paljon valkoisia kääpiöitä. Piirrettyjä ovat myös Morgan-Keenanin kirkkausluokat, jotka erottavat tähdet, joilla on sama lämpötila, mutta eri kirkkaus. – >
HR-kaaviossa on 3 pääaluetta (tai evoluutiovaihetta):

1. Pääsekvenssi, joka ulottuu vasemmasta yläkulmasta (kuuma, valoisa tähdet) oikeassa alakulmassa (viileät, heikot tähdet) hallitsee HR-kaaviota. Tähdet viettävät noin 90% elämästään polttamalla vetyä heliumiin ytimissään. Pääsekvenssitähdillä on Morgan-Keenanin kirkkausluokka, joka on merkitty V: llä.
2. punaiset jättiläiset ja superjätitähdet (kirkkausluokat I – III) miehittävät alueen pääjakson yläpuolella. Niillä on alhaiset pintalämpötilat ja korkeat kirkkaudet, mikä tarkoittaa Stefan-Boltzmannin lain mukaan myös suuria säteitä. Tähdet siirtyvät tähän evoluutiovaiheeseen, kun he ovat tyhjentäneet ytimissään olevan vetypolttoaineen ja alkaneet polttaa heliumia ja muita raskaampia elementtejä.
3. valkoiset kääpiötähdet (kirkkausluokka D) ovat matalan tai keskitason viimeinen evoluutiovaihe massatähdet, ja ne löytyvät HR-kaavion vasemmassa alakulmassa. Nämä tähdet ovat erittäin kuumia, mutta niiden pienet valotiheydet ovat pienet.

Aurinko löytyy pääjärjestyksestä, jonka kirkkaus on 1 ja lämpötila noin 5400 kelviniä.
Tähtitieteilijät käyttävät HR-kaaviota joko yhteenvetona tähtien evoluutiosta tai tähtikokoelman ominaisuuksien tutkimiseen. Erityisesti piirtämällä HR-kaavio joko pallomaiselle tai avoimelle tähtijoukolle, tähtitieteilijät voivat arvioida klusterin iän, josta tähdet näyttävät sammuttavan pääjakson (katso miten tämä tapahtuu pääjakson kohdasta).