古希腊人相信，恒星就是镶嵌在天穹最外层的闪闪发光的宝石，它们和太阳、月亮及行星一起，随着天穹围绕着地球旋转，彼此间的相对位置永不改变。
伽利略首次利用望远镜观天时注意到，如果观察的是一颗行星，原先肉眼所见的亮点在望远镜中就会放大成一个清晰的圆盘；而观察恒星时，望远镜中看到的依然是一个闪烁的亮点。这说明恒星要比行星遥远得多。既然恒星在那样遥远的距离上仍然能为我们所看见，这表明它们一定是一些和我们的太阳非常相似的庞大的火球。
1718年，英国天文学家哈雷将自己的恒星观测结果与古希腊人的记录进行比较，发现天狼星等恒星的位置与古代时相比有了明显的变化，于是首次提出恒星并非永恒不动，并把这种稳定而非常缓慢的运动叫做自行。
德国天文学家贝塞尔使用新发明的量日仪来观测一颗名为天鹅座61的恒星，发现它的移动有周期性规律，经过对其移动轨迹进行计算，确定它一定还有一颗看不见的伴星，两颗星互相绕转的周期约为650年，由此测定出这个双星系统距离我们大约有100万亿km。这是人类首次测量出恒星的距离。
由于用万亿千米作单位来衡量恒星的距离很不方便，为简化数字，天文学家改以光在一年中走过的距离作为新的单位，即“光年”。因为光的速度是299792.458km/s，光一年走过的距离约为94627亿km。这样算来，天鹅座61星距离地球约11光年。
根据双星系统互相绕转的周期和距离及颜色和亮度，还可以推测出恒星的大小和质量及表面温度。人们终于明白了，这些遥远的发光天体与太阳一样，都是由炽热的气体组成的。恒星的大小相差很大，有的像是巨人，有的则像是侏儒。太阳的直径约为140万km，这在恒星世界只能属中等。红巨星是恒星世界个头最大的，它们的直径要比太阳大几十到几千倍；而白矮星的直径只有几千千米，和地球差不多；中子星就更小了，它们的直径只有数十千米。
太阳的质量约为1.989×1030kg，这在恒星中也属中等，一些巨星的质量是太阳质量的120倍，而另一些“矮星”的质量只有太阳的百分之几，但大多数恒星的质量在0.1～10个太阳质量之间。
恒星也有自己的生命史，它们从诞生、成长、衰老到最终走向死亡，演化的历程有共同的规律。我们看到的大多数恒星都属于“壮年期”，这是恒星一生中最长的阶段，也称主星序阶段；此后，恒星燃尽自身的所有燃料，开始变得动荡不安，然后变成一颗红巨星，最后在爆发中进入老年，把自己的大部分物质抛入太空，留下的残骸成为黑矮星、白矮星或中子星，甚至变成黑洞。