Một sao đôi được tạo thành từ một hệ thống gồm hai ngôi sao chuyển động trên quỹ đạo của khối tâm hai ngôi sao. Đối với mỗi ngôi sao, sao kia là "bạn đồng hành" của nó. Các nghiên cứu ngày nay đã chỉ ra rằng có một lượng lớn ngôi sao trong những hệ thống khác nhau là có ít nhất hai ngôi sao. Sao đôi rất quan trọng trong vật lý thiên văn, bởi vì việc quan sát quỹ đạo của chúng sẽ giúp cho việc xác định khối lượng của chúng. Khối lượng của nhiều ngôi sao đơn sẽ được xác định bằng cách ngoại suy từ những sao đôi.Sao đôi không tương tự như sao đôi quang học, vốn có vẻ gần nhau khi được quan sát từ Trái Đất, nhưng có thể không ràng buộc với nhau bằng lực hấp dẫn. Các sao đôi vừa có thể được nhận ra bằng quang học (sao đôi thị giác), hoặc gián tiếp bằng các thiết bị kỹ thuật như là quang phổ kế, sao đôi quang phổ. Nếu sao đôi chuyển động trên mặt phẳng song song với phương quan sát, chúng sẽ che khuất nhau; trường hợp này được gọi là các sao đôi che nhau.Những hệ gồm nhiều hơn hai thành viên, được gọi là các đa sao, cũng không phải là hiếm và thường cũng được xếp hạng bằng cùng cái tên đó. Các thành viên trong các hệ sao đôi có thể trao đổi khối lượng, đưa quy trình tiến hóa của chúng tới những giai đoạn mà những ngôi sao đơn không thể đạt được. Những ví dụ về các hệ sao đôi gồm Algol (một hệ sao đôi che nhau), Sirius, và Cygnus X-1 (một thành viên của hệ này có thể là một hố đen).