Các ngôi sao đỏ khổng lồ phát triển từ các ngôi sao dãy chính với khối lượng trong khoảng từ 0.5 tới khoảng giữa 4 và 6 lần khối lượng Mặt Trời [1].

Các sao đỏ khổng lồ là các ngôi sao có bán kính lớn gấp hàng trăm lần bán kính Mặt Trời đã cạn kiệt nguồn cung cấp hydro trong lõi và chuyển sang giai đoạn tổng hợp hydro trong một lớp vỏ bên ngoài lõi. Bởi lõi heli trơ không có nguồn năng lượng riêng, nó thu nhỏ lại và nóng lên, và lực hấp dẫn của nó nén hydro trong lớp ngay phía bên trên, vì thế khiến quá trình tổng hợp diễn ra nhanh hơn. Điều này lại khiến ngôi sao trở nên sáng hơn (từ 1.000 đến 10.000 lần) và lớn ra; mức độ mở rộng của lớp bên ngoài vượt quá mức độ sáng, vì thế khiến nhiệt độ thật giảm xuống. Với những ngôi sao có đủ khối lượng để tạo ra phản ứng tổng hợp heli, một quá trình tương tự diễn ra khi heli ở bên trong cạn kiệt và ngôi sao chuyển sang tổng hợp heli ở lớp vỏ, dù với sự biến thái khác mà trong nhiều trường hợp phản ứng tổng hợp hydro sẽ tiếp tục trong một lớp vỏ ở độ sâu thấp hơn - điều này khiến ngôi sao chuyển vào nhánh tiệm cận khổng lồ.[2][3] Nhiệt độ bề mặt giảm khiến ánh sáng quan sát được của ngôi sao chuyển sang màu đỏ — vì thế được gọi là sao đỏ khổng lồ, dù màu của nó thường là vàng. Các ngôi sao dãy chính của kiểu quang phổ A tới K được cho là sẽ trở thành các sao đỏ khổng lồ.[4]

Những ngôi sao có khối lượng rất thấp được cho là sẽ đối lưu hoàn toàn[5] và vì thế không tích tụ được một lõi heli bên trong, và sẽ cạn kiệt tất cả các nguồn nhiên liệu trước khi trở thành sao đỏ khổng lồ.[6] Những ngôi sao như vậy thường được gọi là sao lùn đỏ. Quãng đời được dự đoán của những ngôi sao như vậy lớn hơn so với tuổi hiện nay của vũ trụ, và vì thế không có những quan sát thực tế về những ngôi sao như vậy đang già đi.

Những ngôi sao có khối lượng rất lớn sẽ phát triển thành những ngôi sao siêu khổng lồ di chuyển tới lui theo chiều ngang theo biểu đồ HR, ở kịch điểm phía phải tạo thành các ngôi sao siêu khổng lồ đỏ. Chúng thường kết thúc cuộc đời như những sao siêu mới kiểu II.

Nếu ngôi sao nặng hơn 0.4 nhưng nhẹ hơn 2.7 lần khối lượng Mặt Trời, số lượng heli tăng thêm cho lõi bởi phản ứng tổng hợp hydro ngoài lớp vỏ sẽ tạo ra một vụ lóe bùng heli — một vụ nổ heli tổng hợp trong lõi, sau đó ngôi sao sẽ bắt đầu một giai đoạn tổng hợp heli ngắn trước khi bắt đầu một quá trình đi lên khác của nhánh sao đỏ khổng lồ. Các ngôi sao lớn hơn 2.5 lần khối lượng Mặt Trời, nhưng ít hơn khoảng 4 tới 6b lần, đi vào giai đoạn tổng hợp heli nhẹ nhàng hơn. Giai đoạn tổng hợp heli lõi trong cuộc đời một ngôi sao được gọi là nhánh chân trời trong những ngôi sao ít kim loại, chúng được đặt tên như vậy bởi các ngôi sao đó hầu như nằm trên đường chân trời trong Biểu đồ Hertzsprung-Russell của nhiều cụm sao. Những ngôi sao tổng hợp heli nhiều kim loại không nằm trong nhóm chân trời, mà ở trong một cụm (cụm đỏ) trong biểu đồ Hertzsprung-Russell.[7]

Thực tế, những ngôi sao đó không phải là những quả cầu lớn màu đỏ với rìa rõ ràng (khi một người ở gần nó) như được hiển thị trên nhiều bức ảnh. Vì mật độ rất thấp những ngôi sao đó có thể không có một quyển sáng rõ mà là hình một ngôi sao dần chuyển thành một 'quầng'.

[8]