主序星是指那些在其生命周期中處於核心氫聚變階段的恆星。它們在赫羅圖上分布在左上角到右下角的狹窄區域內，這個區域也被稱為主序帶。處於主序階段的恆星，如太陽，其核心將氫原子轉變成氦，並產生能量。這種核聚變產生的熱量和壓力維持恆星的穩定狀態，防止其進一步收縮或膨脹。
主序星的亮度大小主要由其質量決定。例如，質量為太陽20倍左右的恆星在這個階段會成為亮度和溫度很高的藍巨星，而質量為太陽幾倍的恆星將成為白星或黃白星，質量與太陽差不多的恆星便成為黃矮星，質量小於太陽的恆星則成為紅矮星。
恆星在其生命周期的大部分時間都處於主序星階段，這一階段可以持續幾百萬年到十億年不等，具體取決於恆星的質量。太陽正處於這個穩定階段，已經穩定地燃燒了50億年，預計還會繼續這樣狀態約50億年。當恆星的氫燃料耗盡時，它們將離開主序階段，進入生命的下一個階段。