Вновь образовавшиеся звезды будут находиться на главной последовательности очень долго. Горение водорода – самая длительная стадия в жизни звезды, так как в молодой звезде водорода до 70 % от всей массы. При превращении водорода в гелий выделяется большое количество энергии. Вес вышележащих звездных слоев уравновешивается на стадии главной последовательности давлением звездного газа.

В звездах главной последовательности происходит реакции так называемого протон-протонного цикла.

p + p → 2D + e+ +  νe D + p → 3He + γ 3He + 3He → 4He + 2p

или

p + p → 2D + e + + νe D + p → 3He + γ 3He + 4He → 7Be + γ 7Be + e– → 7Li + νe 7Li + p → 24He

Таким образом, в результате из четырех протонов образуется ядро гелия:

4H → He + 2e⁺ + 2ν_e + 25,7 МэВ.

Звезды, у которых масса превышает массу Солнца в несколько раз, реализуют другие термоядерные реакции, в которых главными участниками являются ядра гелия. Выделение энергии при горении гелия примерно на порядок меньше, чем при горении водорода, поэтому время жизни и число звезд на этой стадии значительно меньше, чем звезд главной последовательности. Но благодаря высокой светимости (это звезды, находящиеся на стадии красного гиганта или сверхгиганта), они хорошо изучены.

Наиболее важная реакция у этих звезд – тройной альфа-процесс.

¹²C + p → ¹³N + γ
¹³N → ¹³C + e⁺ + ν^e
13C + p → ¹⁴N + γ
¹⁴N + p → ¹⁵O + γ
¹⁵O + p → ¹⁵N + e⁺ + ν^e
15N + p → ¹²C + ⁴He

Такие реакции возможны только в звездах массивнее и горячее Солнца. Углерод выступает в роли катализатора.

При более высоких температурах, как показывают теоретические расчеты, происходят реакции горения C¹², O¹⁶, Ne²⁰, Mg²⁴, Si²⁸. Энерговыделение в них сравнимо с энерговыделением в 3α-реакции, однако мощное нейтринное излучение из-за высокой температуры 2∙10⁹ K делает время жизни звезды на этих стадиях много меньше, чем на стадии горения гелия. Вероятность обнаружения таких звезд крайне мала, и в настоящее время нет ни одного уверенного отождествления звезды в спокойном состоянии, выделяющей энергию за счет горения С¹² или более тяжелых элементов.

Звезды главной последовательности являются самыми распространенными во Вселенной. Солнце, типичная звезда главной последовательности, за последние 5 миллиардов лет уже израсходовало половину водородного топлива и сможет поддерживать свое существование в течение еще 6–7 миллиардов лет, прежде чем запасы водорода в его ядре иссякнут. Тогда Солнце превратится в красный гигант.