Wszystkie nowe gwiazdy zamieniają wodór na hel w wyniku fuzji jądrowej. W ten sposób powstaje dużo energii (np. światło i ciepło). W normalnej gwieździe, takiej jak nasze Słońce i wszystkie inne gwiazdy ciągu głównego, przemiana ta zachodzi w samym centrum gwiazdy. Prędzej czy później prawie cały wodór w centrum zamienia się w hel. Powoduje to zatrzymanie reakcji jądrowej. Centrum zaczyna się zmniejszać z powodu grawitacji gwiazdy. To sprawia, że warstwa znajdująca się tuż za centrum staje się gorętsza. W tej warstwie nadal znajduje się wodór. Wodór ten ulegnie fuzji, tworząc hel.
Dzięki temu nowemu źródłu energii zewnętrzne warstwy gwiazdy staną się dużo, dużo większe. Gwiazda stanie się jaśniejsza, czasami nawet dziesięć tysięcy razy jaśniejsza niż wtedy, gdy była na ciągu głównym. Ponieważ zewnętrzna część gwiazdy jest większa, energia będzie rozprowadzana na znacznie większym obszarze. Z tego powodu temperatura powierzchni obniży się, a kolor zmieni się na czerwony lub pomarańczowy.
Faza czerwonego olbrzyma jest tymczasowa. Jest ona krótsza niż miliardy lat, które gwiazda spędza na ciągu głównym. Wkrótce (w ciągu zaledwie setek milionów lat) czerwone olbrzymy zaczną przekształcać hel w inne pierwiastki, takie jak węgiel, azot i tlen. Niektóre z ich zewnętrznych warstw rozwieją się, pozostawiając gaz i pył międzygwiazdowy krążący wokół gwiazdy. Z czasem większość czerwonych olbrzymów stanie się białymi karłami. Bardzo duże czerwone olbrzymy stają się gwiazdami neutronowymi lub czarnymi dziurami.
