Stelele gigantice sunt stele uriașe cu o rază și luminozitate mult mai mare a unei stele din secvența principală cu o temperatură de suprafață similară. Stelele din secvența principală au un nucleu mixt, compus din hidrogen și heliu. Stelele gigantice au un miez format din heliu sau chiar elemente mai grele, cum ar fi carbonul. Acest lucru se datorează faptului că stelele gigantice au început să epuizeze porțiuni substanțiale din combustibilul lor de hidrogen.
Faza gigantică este inevitabilă pentru orice stea cu mase solare mai mari de 0.4. Stele cu mase solare între 0.4 și 0.5 acumulează heliu în miezul lor pe măsură ce îmbătrânesc și, în cele din urmă, se formează un miez de heliu pur, dar le lipsește presiunea și temperatura pentru a fuziona heliul. Hidrogenul de la periferia miezului formează un înveliș cu activitate de fuziune rapidă, deoarece gravitația masivă a miezului comprimă hidrogenul pe acesta. Mărimea stelei se extinde și devine mult mai difuză. Când Soarele devine o gigantă roșie în cinci miliarde de ani, suprafața sa va ajunge până acolo unde se află orbita Pământului astăzi.
Stele cu mai mult de 0.5 mase solare pot fuziona nucleele de heliu în oxigen și carbon prin procesul triplu alfa. Deși miezul trebuie să atingă o temperatură de 108 K înainte de aprindere, atunci când se întâmplă, acesta produce un surplus de energie, care mărește dimensiunea miezului, scăzând presiunea în carcasa care formează hidrogen. Acest lucru încetinește reacțiile de fuziune și scade în mod contraintuitiv dimensiunea și temperatura stelei. Deci, o stea mai masivă ajunge să fie mai puțin luminoasă decât una mai puțin masivă. Astfel de stele fac parte din așa-numita ramură orizontală, deoarece pe un grafic al luminozității față de tipul spectral formează o linie orizontală.
Dacă are mai puțin de 8 mase solare, dar mai mare de 0.5, steaua va acumula carbon în miezul său și va începe să fuzioneze heliul pe o înveliș din afara miezului. Ea devine o „ramură gigantică asimptotică” sau stea AGB, pe măsură ce fuziunea heliului accelerează și înglobează steaua gazdă. Acestea pot crea stele supergigant și hipergigant.
Pentru stelele cu mase mai mari de 8 solare, nucleele fuzionează până la fier. Când o astfel de stea formează un nucleu de fier mai mare de 1.44 mase solare, începe colapsul nucleului. Învelișurile de electroni care se resping reciproc din jurul nucleelor de fier nu reușesc să se respingă între ele sub presiune și temperatură mare și încep să fuzioneze într-o altă stare a materiei numită neutroniu, alcătuită din neutroni blocați strâns împreună într-un nucleu atomic gigantic de mărimea unui oraș. .
Pe măsură ce reacțiile de fuziune din nucleu încetează, steaua nu reușește să producă suficientă energie pentru a-și contracara propria gravitație și se prăbușește. Pe măsură ce elementele ușoare cad spre interior, ele sară de miezul aproape incompresibil de neutroniu. Recul este suficient pentru a trimite mantaua stelei să explodeze în spațiu cu mii de kilometri pe oră. Acest eveniment se numește supernovă și astfel sunt create elementele mai grele decât fierul.
Restul este ceea ce se numește o rămășiță de stea sau o stea neutronică. O linguriță din materia sa cântărește două milioane de tone.