当恒星内部的氢快消耗完时，内部的物质大多变成了“灰烬”——氦，虽然在恒星的外层和中间层上，氢还有的是，可它无法下沉到内部中心区域。于是，内部的热核反应难以为继，终于慢慢停止下来。与此同时，在这颗恒星中间层上的氢则会被点燃而开始燃烧，于是恒星的外层就急剧膨胀起来。由于热核反应所产生的能量比以前大大减少了，而此时恒星发出光和热的表面却大大增大，这就必然导致恒星的表面温度很快下降，发出的光也变成红色。于是主序星就会变成如天蝎α（心宿二）那样的红巨星。
红巨星都是十分巨大的恒星，它们的半径往往比太阳还大上好几百倍甚至上千倍。例如那颗红红的恒星天蝎α，其表面温度只有3600℃，但它的半径达4.2亿千米，几乎是太阳半径的600倍。因为它的质量只是太阳的25倍，所以不难算出，它的平均密度只有太阳的千万分之一，比地球上的空气还要稀7400倍，它实在是“腹中空空”。
宇宙中比它更大的星还有的是，因为它们比红巨星更大，所以常称红超巨星、红巨星与太阳的大小相比为红超巨星。目前所知最大的红超巨星可能是御夫ε（柱一），它是一对巨型的双星，从体态而言，那颗伴星B星更大一些，是太阳半径的3000倍。如把太阳比作0.1毫米的一颗尘粒，天蝎α就相当于橘子大小，而御夫ε伴星B星则比篮球还要大一些。
50亿年后太阳也将变为可怕的红巨星
将吞没水星、金星、地球、火星
再过大约50亿年后，太阳也会走上这条不归之路，那时，不光水星、金星要被极度膨胀的太阳所吞噬，恐怕连地球、火星也难逃这可怕的厄运。好在50亿年是遥远的未来，地球从诞生到今天，也不过46亿年的时间，所以今天的人类大可不必为此担惊受怕。
一般的红巨星都不像主序星那么“安分守己”，常会有一些物质抛射等活动。还有少量的红巨星（一般是质量较大的），其核心区的反应是灾难性的，所有的氦会一下子全部燃烧起来，从而使整个恒星爆炸，一部分物质重新又化作星云。不过大多数红巨星，特别是质量不是很大的红巨星，还是会走“和平演变”之路，它们慢慢地演变成各种“变星”，再通过行星状星云形式，演变为内部主要是碳和氧组成的白矮星。