Se spune că un volum de fluid, care poate fi un gaz sau un lichid, este în echilibru hidrostatic atunci când forța descendentă exercitată de gravitație este echilibrată de o forță ascendentă exercitată de presiunea fluidului. De exemplu, atmosfera Pământului este trasă în jos de gravitație, dar spre suprafață aerul este comprimat de greutatea întregului aer de deasupra, astfel încât densitatea aerului crește de la vârful atmosferei până la suprafața Pământului. Această diferență de densitate înseamnă că presiunea aerului scade odată cu altitudinea, astfel încât presiunea ascendentă de jos este mai mare decât presiunea descendentă de sus și această forță ascendentă netă echilibrează forța descendentă a gravitației, menținând atmosfera la o înălțime mai mult sau mai puțin constantă. Când un volum de fluid nu este în echilibru hidrostatic, acesta trebuie să se contracte dacă forța gravitațională depășește presiunea sau să se extindă dacă presiunea internă este mai mare.
Acest concept poate fi exprimat ca ecuația de echilibru hidrostatic. Este de obicei exprimat ca dp/dz = -gρ și se aplică unui strat de fluid într-un volum mai mare în echilibru hidrostatic, unde dp este modificarea presiunii în strat, dz este grosimea stratului, g este accelerația datorată. la gravitație și ρ este densitatea fluidului. Ecuația poate fi utilizată pentru a calcula, de exemplu, presiunea într-o atmosferă planetară la o înălțime dată deasupra suprafeței.
Un volum de gaz din spațiu, cum ar fi un nor mare de hidrogen, se va contracta inițial datorită gravitației, presiunea acestuia crescând spre centru. Contracția va continua până când va apărea o forță exterioară egală cu forța gravitațională spre interior. Acesta este în mod normal punctul în care presiunea din centru este atât de mare încât nucleele de hidrogen fuzionează împreună pentru a produce heliu într-un proces numit fuziune nucleară care eliberează cantități uriașe de energie, dând naștere unei stele. Căldura rezultată crește presiunea gazului, producând o forță exterioară pentru a echilibra forța gravitațională către interior, astfel încât steaua va fi în echilibru hidrostatic. În cazul creșterii gravitației, poate prin căderea mai multor gaze în stea, densitatea și temperatura gazului vor crește, de asemenea, asigurând mai multă presiune în exterior și menținând echilibrul.
Stelele rămân în echilibru hidrostatic pe perioade lungi, de obicei câteva miliarde de ani, dar în cele din urmă vor rămâne fără hidrogen și vor începe să fuzioneze elemente din ce în ce mai grele. Aceste schimbări scot temporar steaua din echilibru, provocând expansiune sau contracție până la stabilirea unui nou echilibru. Fierul nu poate fi topit în elemente mai grele, deoarece aceasta ar necesita mai multă energie decât ar produce procesul, așa că atunci când tot combustibilul nuclear al stelei s-a transformat în cele din urmă în fier, nu mai poate avea loc nicio fuziune și steaua se prăbușește. Acest lucru ar putea lăsa un miez solid de fier, o stea neutronică sau o gaură neagră, în funcție de masa stelei. În cazul unei găuri negre, niciun proces fizic cunoscut nu poate genera suficientă presiune internă pentru a opri colapsul gravitațional, astfel încât echilibrul hidrostatic nu poate fi atins și se crede că steaua se contractă la un punct de densitate infinită cunoscut sub numele de singularitate.