A csillagfejlődés - a csillagok szerkezetében, fizikai tulajdonságaiban és kémiai összetételében bekövetkező változások a
csillagkeletkezéstől a csillag végállapotba kerüléséig tartó hosszú (millió-milliárd éves) időskálán.
Valamely csillag kialakulás utáni sorsa elsősorban a csillag kezdeti tömegétől függ.
A lehetséges végállapotok:
fehér törpe, neutroncsillag, fekete lyuk.
A nagyobb tömegű csillagoknál gyorsabban követik egymást a csillagfejlődés egyes fázisai.
A legtovább tartó állapot minden esetben a hidrogén héliummá alakulása a csillag igen forró belsejében. Amíg ez a magfúzió tart, a csillag a fősorozaton található a csillagfejlődést jól szemléltető Hertzsprung-Russell-diagramon. A fősorozati időszak a Naphoz hasonló
csillagokra 10 milliárd év, míg a háromszor nagyobb tömegű csillagokra csak félmilliárd év.
Ezen időszak után a csillag egyre növekvő hőmérsékletű magjában a magasabb rendszámú kémiai elemek is kialakulnak, méghozzá a fősorozatinál jóval rövidebb idő alatt. A csillagfejlődés során a csillag nagy mennyiségű tömeget veszít csillagszél formájában, s emiatt a csillagközi anyag idővel egyre gazdagabb lesz nehéz elemekben.
A kettőscsillagoknál a társ jelenléte, illetve a komponensek közötti tömegátadás módosítja a magányos csillagokra érvényes csillagfejlődést. Számos megfigyelési tény támasztja alá a csillagfejlődésre vonatkozó asztrofizikai számítások helyességét.