Het Hertzsprung-Russell-diagram ( HR-diagram) geeft de relatie aan tussen de absolute helderheid van een ster en zijn oppervlaktetemperatuur. Het diagram is een classificatie van sterren en geeft inzicht in hun evolutie.

Het HR-diagram is zo ontworpen dat de helderheid van een ster toeneemt langs de verticale as en de temperatuur afneemt langs de horizontale as. Dus sterren linksboven in het diagram zijn helder en heet, terwijl sterren rechtsonder in het diagram zwak en koel zijn. De meeste sterren liggen op een band die van hoge temperatuur en grote helderheid (linksboven) naar lage temperatuur en kleine helderheid (rechtsonder) loopt. We noemen dit de hoofdreeks (main sequence in het Engels). De meeste sterren zoals de zon volgen tijdens hun evolutie die hoofdreeks.

Wanneer je de sterren in de omgeving van de zon in een diagram zet met hun oppervlaktetemperatuur uitgezet tegen helderheid, krijg je dit HR-diagram.

De helderheid en temperatuur van een ster kunnen op verschillende manieren worden aangegeven op de assen van het HR-diagram. De temperatuur ook als spectraaltype (het spectrum van een ster blijkt rechtevenredig met zijn oppervlaktetemperatuur) of als 'kleurindex', een meting van de kleur van de ster die ook met de temperatuur samenhangt. Hoe koeler de ster, des te roder zijn kleur. Hoe heter een ster, des te blauwer zal zijn kleur zijn. De helderheid van sterren wordt behalve met lichtkracht (totale hoeveelheid energie die de ster uitstraalt) ook wel aangegeven als absolute magnitude, wat een historische manier van weergeven is gebaseerd op de (logaritmische) werking van het menselijk oog. Al deze verschillende assen staan aangegeven op dit uitgebreide HR-diagram.

Gedurende zijn leven heeft een ster steeds een andere positie in het HR-diagram; hij doorloopt het HR-diagram. Het feit dat de meeste sterren op de hoofdreeks liggen, terwijl we sterren met allerlei leeftijden zien, betekent dat de sterren het grootste deel van hun leven op de hoofdreeks doorbrengen. Hoofdreekssterren zijn jonge sterren, die bezig zijn waterstof in hun kern om te zetten in helium.

Om de levensloop van een ster weer te geven, kun je zijn evolutiepad aangeven in het HR-diagram. Het evolutiepad van de zon ziet er globaal zo uit. Behalve de oppervlaktetemperatuur en de helderheid veranderen ook de diameter en de massa van een ster tijdens zijn de evolutie. Ook die zijn vaak af te leiden uit deze figuur.

In het uitgebreide HR-diagram staan verschillende evolutiefases van sterren aangegeven, met de reuzen rechtsboven, de witte dwergen onderaan en de hoofdreeks van linksboven naar rechtsonder. Als je dit vergelijkt met het diagram van het evolutiepad van de zon, zie je dat de zon eerst op de hoofdreeks zit, daarna een reus wordt, langzaam heter en heter wordt en dan afzakt naar het witte dwergengebied waar hij steeds kouder en minder helder wordt.