如造父變星、天琴座RR型變星等，除此之外，一些處於演化早期的恆星也出現在這一區域中，如金牛座的T型星等，但這一類的恆星周圍常有瀰漫的氣體雲，而一般的紅巨星則沒有，這是兩者現象的一個不同之處。各類質量的恆星轉化爲紅巨星的現象是不同的，對於質量較小的恆星（小於太陽質量的一半），氫耗盡後中心發生十分緩慢的收縮，最終在未引起氦燃燒以前就處於簡併態的電子氣的平衡態，因而收縮就會停止，而外殼則稍稍向外膨脹一下，即失去了可見光譜的輻射能力，轉化爲核心物質周圍的冷的星雲，核心部分外層剩餘的氫由於不足以支持星體的輻射而逐漸熄滅，逐漸向簡併態電子氣平衡的核心收縮。星體核心物質轉化爲一顆白矮星而消亡，質量更大一些的、在太陽質量1.8—2.2倍以下的恆星，氫耗盡以後核心也收縮爲電子氣的簡併態平衡狀態，由於外層的氫燃燒產生的氦不斷加入，氦核心質量不斷增大，因而緩慢向內收縮，當中心的氦核心質量增大到0.45個太陽質量時，氦核心收縮的溫度使氦被點燃，核心物質在簡併態電子氣平衡的條件下發生核燃燒，產生的熱量使氦核心發生膨脹，進而恢復爲電子氣的非兼併態，然後形成穩定的核燃燒，質量更大的恆星，內部會在非簡併態下直接發生核燃燒。
對於質量在太陽1.5倍以下的恆星，它在赫羅圖上的移動軌跡是一條底部略有曲折的斜向上的曲線，當恆星移動到這條曲線的頂端時，即發生氦燃燒，爾後，由於恆星物質的熱逃逸，氦燃燒變得平穩，光度下降，移至略向左傾斜一點的位置，處於長期的停留狀態，而質量在太陽1.5倍以上的恆星，在赫羅圖上的移動曲線主要表現爲一條水平的曲折的向上移動的軌跡，對於質量在太陽10倍以下的恆星，在移向赫羅圖右端時發生氦燃燒，質量大於太陽10倍的恆星，在離開主序後的左端部位即發生氦燃燒，氦燃燒的結果是生成碳。
這個反應通常稱爲反應，實際上是按照上面兩步進行的，直接進行反應的機率很小，由於生成的鈹是具有放射性的，只要在非常短的時間內就會重新分解爲氦，所以第二步的反應必須緊接着第一步的反應很快地進行，反應才能完整地發生，這就要求星體內部具有較高的密度和溫度，這和氫的燃燒大不相同了。恆星內部的氦燃燒的時間比氫燃燒短得多，像太陽這樣的恆星可持續10億年，而質量在太陽幾倍到幾十倍的恆星，就只有幾十萬年到幾千年，比主序星的壽命短得多，這就是爲什麼恆星大多分佈集中在主序上的原因。
恆星開始核反應後在反抗引力的持久鬥爭中，其主要武器就是核能。它的核心就是一顆大核彈，在那裡不斷地爆炸。正是因爲這種核動力能自我調節得幾乎精確地與引力平衡，恆星才能在長達數十億年的時間裡保持穩定。熱核反應發生在極高溫度的原子核之間，因而涉及物質的基本結構。在太陽這樣的恆星中心，溫度達到一千五百萬開氏度，壓強則爲地球大氣壓的三千億倍。在這樣的條件下，不僅原子失去了所有電子而只剩下核，而且原子核的運動速度也是如此之高，以至於能夠克服電排斥力而結合起來，這就是核聚變。
恆星是在氫分子云的中心產生的，因而主要由氫組成。氫是最簡單的化學元素，它的原子核就是一個帶正電荷的質子，還有一個帶負電荷的電子繞核旋轉。恆星內部的溫度高到使所有電子都與質子分離，而質子就像氣體中的分子在所有方向上運動。由於同種電荷互相排斥，質子就被一種電“盔甲”保護着，從而與其他質子保持距離。但是，在年輕恆星核心的一千五百萬開氏度的高溫下，質子運動得如此之快，以至於當它們相互碰撞時就能夠衝破“盔甲”而粘合在一起，而不是像橡皮球那樣再彈開。四個質子聚合，就成爲一個氦核。氦是宇宙中第二位最豐富的元素。氦核的質量小於它賴以形成的四個質子質量之和。這個質量差只是總質量的千分之七，但是這一點質量損失轉化成了巨大的能量。像太陽那樣的恆星有一個巨大的核，在那裡每秒鐘有六億噸氫變成氦。巨大的核能量朝向恆星外部猛烈衝擊就能阻止引力收縮。
然而，“恆定”的演化歷程終將結束，當所有的氫都變成了氦時，核心的火就沒有足夠的燃料來維持，恆星在主序階段的平靜日子就到了盡頭，大動盪的時期來到了。一旦燃料用光，熱核反應的速率立即劇減，引力與輻射壓之間的平衡被打破了，引力佔據了上風。有着氦核和氫外殼的恆星，在自身的重力下開始收縮，壓強、密度和溫度都隨之升高，於是恆星外層尚未動用過的氫開始燃燒，產生的結果是外殼開始膨脹，而核心在收縮
在大約一億度的高溫下，恆星核心的氦原子核聚變成爲碳原子核。每三個氦核聚變成一個碳核，碳核再捕獲另外的氦核而形成氧核。這些新反應的速度與緩慢的氫聚變完全不同。它們像閃電一樣快地突然起爆（氦閃耀），而使恆星不得不盡可能地相應調整自己的結構。經歷約一百萬年後，核能量的外流漸趨穩定。此後的幾億年裡，恆星處於暫時的平穩，核區的氦在漸漸消耗，氫的燃燒越來越向更外層推進。但是，調整是要付出代價的，這時的恆星將膨脹得極大，以使自己的結構適應於光度的增大。它的體積將增大十億倍。這個過程中恆星的顏色會改變，因爲其外層與高溫的核心區相距很遠，溫度就低了下來。這種狀態的恆星稱爲紅巨星。