Hertzsprung-Russell-diagrammet (HR-diagram) är ett av de viktigaste verktygen i studien av stjärnutveckling. Utvecklades självständigt i början av 1900-talet av Ejnar Hertzsprung och Henry Norris Russell och ritar temperaturen på stjärnorna mot deras ljusstyrka (det teoretiska HR-diagrammet) eller färgen på stjärnor (eller spektraltyp) mot deras absoluta storlek (observations-HR-diagrammet, även känt som ett färgstorleksdiagram).
Beroende på dess initiala massa går varje stjärna genom specifika evolutionära steg som dikteras av dess interna struktur och hur den producerar energi. Var och en av dessa steg motsvarar en förändring i stjärnans temperatur och ljusstyrka, vilket kan ses förflytta sig till olika regioner på HR-diagrammet när den utvecklas. Detta avslöjar den verkliga kraften i HR-diagrammet – astronomer kan känna till en stjärns interna struktur och utvecklingsstadium helt enkelt genom att bestämma dess position i diagrammet.

Hertzsprung-Russell-diagrammet de olika stadierna i stjärnutvecklingen. Den överlägset mest framträdande egenskapen är huvudsekvensen (grå), som löper från det övre vänstra hörnet (lysande stjärnor) till det nedre högra hörnet (svala, svaga stjärnor) i diagrammet. Jättegrenen och superjättestjärnorna ligger ovanför huvudsekvensen och vita dvärgar finns under den.
Kredit: R. Hollow, CSIRO.

Detta Hertzsprung-Russell-diagram visar en grupp stjärnor i olika stadier av deras utveckling. Den överlägset mest framträdande funktionen är huvudsekvensen, som går från det övre vänstra hörnet (varma, lysande stjärnor) till det nedre högra hörnet (svala, svaga stjärnor) i diagrammet. Den gigantiska grenen är också välbefolkad och det finns många vita dvärgar. Även Morgan-Keenan-ljusstyrkeklasser ritas in som skiljer mellan stjärnor med samma temperatur men olika ljusstyrka. – >
Det finns tre huvudregioner (eller utvecklingsstadier) i HR-diagrammet:

1. Huvudsekvensen sträcker sig uppifrån till vänster (varm, lysande stjärnor) längst ner till höger (svala, svaga stjärnor) dominerar HR-diagrammet. Det är här som stjärnor spenderar cirka 90% av sina liv på att bränna väte i helium i sina kärnor. Huvudsekvensstjärnor har en Morgan-Keenan-ljusstyrkeklass märkt V.
2. röda jätte och superjättestjärnor (ljusstyrkeklass I till III) upptar regionen ovanför huvudsekvensen. De har låga yttemperaturer och höga ljusstyrkor vilket enligt Stefan-Boltzmann-lagen innebär att de också har stora radier. Stjärnor går in i detta evolutionära skede när de har tömt vätgasbränslet i sina kärnor och har börjat bränna helium och andra tyngre element.
3. vita dvärgstjärnor (ljusstyrka klass D) är det sista evolutionära stadiet av låg till mellanliggande massstjärnor och finns längst ner till vänster i HR-diagrammet. Dessa stjärnor är väldigt heta men har låga ljusstyrkor på grund av sin lilla storlek.

Solen finns i huvudsekvensen med en ljusstyrka på 1 och en temperatur på cirka 5400 Kelvin.
Astronomer använder vanligtvis HR-diagrammet för att antingen sammanfatta utvecklingen av stjärnor eller för att undersöka egenskaperna hos en samling stjärnor. Genom att plotta ett HR-diagram för antingen ett globalt eller öppet kluster av stjärnor kan astronomer uppskatta åldern på klustret varifrån stjärnor verkar stänga av huvudsekvensen (se avsnittet om huvudsekvensen för hur detta fungerar).