Innerhalb einer Spektralklasse können sich die Sterne nur noch in ihrer Grösse unterscheiden, so dass auch die absolute Helligkeit allein von der Grösse abhängt. Um diesen Zusammenhang zu analysieren, haben der Däne Ejnar Hertzsprung und der Amerikaner Henry Norris Russell unabhängig voneinander die Spektralklasse und absolute Helligkeit von Sternen in einem Diagramm aufgetragen (siehe Grafik ganz oben).

Überraschenderweise sind die Sterne in diesem Diagramm nicht gleichmäßig verteilt. Zunächst fällt ein ausgeprägter diagonaler Ast von blauen Riesensternen hin zu den roten Zwergen auf.

In dieser Hauptreihe liegen alle Sterne, die sich im Stadium der ruhigen Wasserstoff-Fusion befinden. Etwa in der Mitte zweigt ein weiterer Ast zu den roten Riesen ab. Dort befinden sich alte Sterne, die bereits in die Phase des Helium-Brennens übergegangen sind. Auf einer isolierten Insel liegen die weißen Zwerge, die ihr Leben praktisch abgeschlossen haben.

Aus dieser Beschreibung geht bereits hervor, dass ein Stern nicht ewig auf einer festen Position im Hertzsprung-Russell-Diagramm bleibt, sondern verschiedene Entwicklungsstadien durchläuft:

Auf der Darstellung ganz unten ist der Weg der Sonne im Hertzsprung-Russell-Diagramm eingetragen. Zur Zeit befindet sich die Sonne noch auf der Hauptreihe, doch in ca. 5 Milliarden Jahren wird der Wasserstoff in Ihrem Kern verbraucht sein. Dann wird die Helium-Fusion einsetzen und die Sonne wird in den Ast der Roten Riesen einschwenken. Wenn auch das Helium zu Ende geht, wird die Sonne in einem letzten Ausbruch ihre äussere Hülle abstossen und zurück bleibt ein weißer Zwerg.
Da das Hertzsprung-Russell-Diagramm bestimmte Sterntypen definiert und mit ihrer absoluten Helligkeit in Bezug setzt, eignet es sich auch hervorragend zur Bestimmung von Entfernungen. Wenn man den Typ eines Sterns kennt, dann kann man daraus die absolute Helligkeit ableiten und durch Vergleich mit der relativen Helligkeit wiederum den Abstand von der Erde berechnen.