主系列星は中心核で核融合反応を起こし、4つの水素原子から1つのヘリウム原子を作り出している。ヘリウム1原子は水素4原子よりも0.7%軽く、この質量差がエネルギーに変換され、星が明るく輝く源となる。
こうして中心核内にヘリウムが蓄積し、また中心核内の温度が上がると、やがてヘリウムが核融合反応を起こしヘリウム4原子から炭素3原子を作るようになる。こうなると恒星は主系列から外れ、大きく膨らみ出す。内部は高温だが外層は主系列よりも低温になるため星は赤くなる。こうして主系列星は時とともにHR図上で赤色巨星の領域へと移動するのである。