Наблюдения звезд разрешают выяснить такие две их главные характеристики, как спектральный класс и светимость (см. Спектральная классификация звезд). На основании этих разрешённых можно построить следующую диаграмму: по вертикальной оси откладывается светимость, а по горизонтальной — спектральный класс. Любая звезда на диаграмме изображается точкой. Наряду с этим оказывается, что звезды находятся не хаотически, а образуют определенные линии, либо последовательности. На участках диаграммы вне этих последовательностей звезд нет.
В первый раз диаграмма «спектр — светимость» была выстроена и изучена в начале отечественного века датским ученым Э. Герцшпрунгом и американским астрофизиком Г. Ресселлом. Исходя из этого она именуется в большинстве случаев диаграммой Герцшпрунга — Ресселла.
Время от времени по осям диаграммы откладывают другие величины. Светимость звезды возможно выразить через безотносительную звездную величину, а спектральный класс возможно связать с температурой звезды. Вместо спектрального класса либо температуры довольно часто применяют показатель цвета (см. Звездные размеры). На современной диаграмме Герцшпрунга — Ресселла выделяются следующие последовательности. От верхнего левого угла к правому нижнему проходит основная последовательность, на которой находится большинство всех звезд. Последовательность начинается от тёплых голубых звезд с температурой 30 000—50 000 Кис оптической светимостью в 10 000 раза больше светимости Солнца (к примеру, Спика), проходит через белые звезды (Сириус А), желтовато-белые (Процион), желтые (Солнце), оранжевые (т Кита) и заканчивается красными карликами с температурой 3000—4000 К, каковые не сильный Солнца в 1000 раз (Крюгер 60). Выше основной последовательности расположены красноватые субгиганты, а после этого желтые, оранжевые и красные гиганты, имеющие громадные размеры и соответственно высокие светимости (Капелла, Арктур, Альдебаран). В самой верхней части диаграммы проходит ветвь сверхгигантов, светимости которых в сотни и десятки тысяч раза больше светимости Солнца (Ригель, Бетельгейзе). Но таких звезд весьма мало. Чуть ниже основной последовательности параллельно ей проходит ветвь субкарликов. И наконец, в самой нижней части диаграммы отдельной группой находятся белые карлики — весьма плотные, мелкие и тёплые звезды (к примеру, Сириус В).
В ходе эволюции звезды меняют собственный положение на диаграмме «спектр — светимость», перемещаясь из одной группы в другую. Солидную часть судьбы звезда проводит на основной последовательности. Справа и вверх от основной последовательности находятся как самые юные звезды, так и звезды, на большом растоянии продвинувшиеся по собственному эволюционному пути. Белые карлики являются звезды, находящиеся на последней стадии развития.
В астрономии довольно часто употребляется диаграмма «спектр — светимость», выстроенная раздельно для рассеянных скоплений и шаровых звезд, и разных звездных жителей Галактики.
Диаграмма Герцшпрунга — Ресселла играется фундаментальную роль в астрофизике при изучении звёздных систем и звёзд.