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恒星末期的演化，也是由恒星的質量決定的。不同質量的恒星最終將分道揚鑣。

對于質量在2倍太陽質量以內的恒星，主序階段結束后，恒星核心的氫被用完，產生了一個氦的內核，氦內核外是密度更低的氫。由于核心的溫度不夠高，氦元素無法被點燃發生熱核反應。于是，氦內核首先向內收縮，使核心得到加熱。這首先造成氦內核外的氫殼層的熱核反應被點燃。氫殼的加速燃燒比主序階段氫內核燃燒產能更多，直接打破了恒星原本的穩定狀態，使得恒星劇烈膨脹。

由于恒星擴張到較外部的部分首先被冷卻，恒星的表面溫度降低了，因此變得比原來更紅。這時的恒星演化成為了紅巨星。以太陽為例，大約50億年后，太陽將成為一顆紅巨星，那時太陽會變大到現在的100倍，地球也會被太陽吞噬。

這幅圖片展示了和太陽質量相當的恒星從誕生（左側）到晚年（右側）的尺度演化。大約50億年后，太陽將成為一顆紅巨星，那時太陽會變大到現在的100倍，地球也會被太陽吞噬。

圖片來源：By ESO/M. Kornmesser (http://www.eso.org/public/images/eso1337a/) [CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)], via Wikimedia Commons

而在紅巨星內部，氫殼燃燒產生了更多的氦，氦內核的物質越來越多，當它向內收縮到使溫度將足夠高時，燃燒氦元素生成碳元素的熱核反應就會被點燃。氦的燃燒十分迅速，恒星核心的氦很快就會被燒盡，形成一個碳的內核。在碳內核之外，分別是同心的氦殼和氫殼，這兩個殼層起初會繼續發生熱核反應，但很快就無法再維持下去。

小質量恒星中心的溫度將永遠無法點燃碳燃燒的核反應，于是，恒星核心將持續收縮，密度越來越大，最終成為一顆體積很小、溫度很高（約幾萬度）的天體——白矮星。而原來恒星外部的殼層膨脹得很大，最后會與中心的白矮星脫離，擴展到周圍的空間中。這些氣體物質被中心熾熱的白矮星電離，從而可以被我們觀測到。由于人們最初在望遠鏡中看到這些彌散物質很像行星，因此稱之為行星狀星云。

行星狀星云還會繼續膨脹，最終被完全吹散，只剩下核心的白矮星。而白矮星失去了能量來源，只能日益黯淡，成為不再發光的黑矮星。

哈勃空間望遠鏡拍攝的天狼星A和天狼星B（箭頭所指）的照片。天狼星是物理雙星，人類肉眼無法將相互繞轉的天狼星A和天狼星B分辨開。天狼星B是白矮星，相比天狼星A要黯淡很多。

圖片來源：By Bokus [Public domain], via Wikimedia Commons

質量較大的恒星在主序階段結束后，同樣會經歷氫殼和氦內核燃燒的過程，并膨脹成為紅超巨星。不同于小質量恒星的是，大質量恒星的碳內核也會被點燃，從而合成更重的氮、氧元素。質量更大的恒星（8倍太陽質量以上）內核中產生的新元素會一再被點燃，新的更重元素的組成的內核相繼形成，內核外包裹著一層層燃燒的不同元素的同心殼層。因此這些大質量恒星還會制造出氖、鈉、鎂、硅等元素，直到內核變成鐵為止。

此時的恒星再也無力支撐自身的引力，以極快的速度向內坍縮，結果是宇宙中謠言的奇觀——超新星爆發（II型超新星）。超新星爆發釋放巨大的能量，在爆發的瞬間，超新星的光度可以與整個星系的光度相比，天空中就像突然出現了一顆明亮的星星一樣。在超新星爆發后，原來恒星的外層物質被拋到周圍的宇宙空間中，成為彌散的氣體星云，而中心則產生一個致密天體——中子星或者黑洞。

由哈勃空間望遠鏡寬視場和行星相機2號24次獨立的曝光拼接而成的蟹狀星云圖像，這些圖像分別攝于1999年10月，2000年1月和2000年12月。蟹狀星云是超新星SN 1054爆發后的遺跡，該超新星在公元1054年爆發時被宋朝的天文學家記錄。蟹狀星云中心的天體為一顆脈沖星（一種以恒定頻率發射電磁脈沖的中子星），也是超新星的遺跡。