Todas las estrellas nuevas transforman el hidrógeno en helio mediante la fusión nuclear. Esto produce mucha energía (por ejemplo, luz y calor). En una estrella normal, como nuestro Sol y todas las demás estrellas de la secuencia principal, este cambio se produce en el mismo centro de la estrella. Tarde o temprano, casi todo el hidrógeno del centro se ha convertido en helio. Esto hace que la reacción nuclear se detenga. El centro comenzará a reducirse debido a la gravedad de la estrella. Esto hace que la capa justo fuera del centro se caliente más. Esta capa todavía tiene hidrógeno. Este hidrógeno se fusionará para producir helio.
Con esta nueva fuente de energía, las capas exteriores de la estrella se harán mucho, mucho más grandes. La estrella será más brillante, a veces hasta diez mil veces más brillante que cuando estaba en la secuencia principal. Como el exterior de la estrella es más grande, la energía se repartirá en un área mucho mayor. Debido a esto, la temperatura de la superficie bajará y el color cambiará a rojo o naranja.
La fase de gigante roja es temporal. Es más corta que los miles de millones de años que pasa una estrella en la secuencia principal. Pronto (en sólo cientos de millones de años) las gigantes rojas comenzarán a fusionar helio para producir otros elementos como carbono, nitrógeno y oxígeno. Algunas de sus capas exteriores se desprenderán, dejando gas y polvo interestelar alrededor de la estrella. Con el tiempo, la mayoría de las gigantes rojas se convertirán en enanas blancas. Las gigantes rojas muy grandes se convierten en estrellas de neutrones o en agujeros negros.
