随着核聚变的进行，恒星中心的氦核越来越大，氦核周围的氢越来越少，当氦核质量占到恒星质量的12％时，恒星结构出现重大变化，氦核收缩，而恒星外层膨胀，体积急剧增大，表面温度降低。当中心的氢逐渐燃烧完后，一颗恒星的生命就接近尾声了。此时星体核心会迅速收缩，相反地，外层的氢却开始燃烧并迅速膨胀，这是恒星生命中一个十分有趣的阶段，星体的体积大大增加，比如太阳这样的恒星会膨胀数百倍，膨胀的结果导致恒星表面温度下降，颜色变红，同时表面亮度却会大大增强，天文学上习惯于将光度（即恒星的本质亮度）大的天体称为“巨星”，因此这一阶段的恒星的典型特征就是“红巨星”。
红巨星或超新星——恒星进入老年期。在这阶段，恒星的内核已经不再发生热核反应，即使外壳对核的压力增大，内核也得不到充分的压缩而引起聚变，但内核周围的氢层和氦层继续燃烧，并且向外扩展，这种情况下，引力与排斥力开始不稳定，恒星便开始一鼓一缩的脉动，红巨星稀薄的包层向外以星风的形式逃逸，形成同心圆结构；随着红巨星大气的丧失，中心星由于极高的密度和温度产生类似爆发的高速星风，将剩余的气体与尘埃抛出，形成不规则的块状结构和气泡结构。
相对而言，“红巨星”阶段是很短暂的，此后由于核心的收缩导致温度进一步升高而引发氦原子核聚变为碳原子核的反应以及此后一系列更为复杂的核聚变反应，恒星快速地走向死亡。太阳将来在红巨星阶段大约将停留10亿年时间，光度将升高到今天的好几十倍。到那时候，地面的温度将升高到今天温度的两三倍，北温带夏季最高温度将超过400℃。
在这个时期中，恒星的亮度并不稳定，时明时暗，比如猎户座的超巨星参宿四就是这样。前面已经讲到，这个恒星的直径是太阳的1000倍，可是不久以后，由于收缩，变到太阳的700倍左右。同时，它的亮度从0.4等变成1.4等。这个恒星以大约5年零8个月的周期，时而膨胀，时而收缩，发光的强度也在变化。我们把这样的星叫做变星。天蝎座的超巨星心宿二（大火星）也以4年零10个月的周期，从0.9等变成1.8等星。在变星中有的与这些星不同，是以非常短的周期改变着亮度。例如武仙座的δ星就是其中之一，它仅以5.4天为周期，亮度从3.7等变成4.4等星。还有天琴星的RR型变星，仅以12.5小时为周期，亮度变化于7～8等。