דיאגרמת הרצשפרונג‑ראסל (HR) מקשרת בין הבהירות המוחלטת של כוכב (כמה אנרגיה ואור הוא מפיק) לבין טמפרטורת פני השטח שלו (חום פני הכוכב) ובכך גם לצבעו. כשמניחים בהירות מוחלטת מול טמפרטורה בדיאגרמה כזו, רוב הכוכבים מסודרים לאורך עקומה הנקראת הסדרה הראשית. את הדיאגרמה פיתחו איינר הרצשפרונג והנרי ראסל סביב שנת 1910.
הציר האנכי בדיאגרמה מייצג הארה או בהירות מוחלטת. הציר האופקי מייצג טמפרטורה, והוא מסודר הפוך כך שלהטמפרטורות הגבוהות נמצאות בדרך כלל משמאל. טמפרטורת פני השטח נמדדת בספקטרוסקופיה (שיטה שמפצלת את האור לצבעים כדי לזהות רכיבים) או באמצעות אינדקס צבע. מדידת ההארה דורשת גם לדעת את המרחק לרדיוס הכוכב, לכן דיאגרמות של צבירים (קבוצות כוכבים מרוחקות באותו מרחק) חשובות למחקר.
ניתן לתאר את הקשר בין טמפרטורה להארה דרך חוק סטפן‑בולצמן: השטף על פני השטח H = σ T^4. ההארה הכוללת היא L = 4πR^2 σ T^4, כאשר R הוא רדיוס הכוכב. משוואות אלו מאפשרות לחשב יחס בין הארה לטמפרטורה ולבדוק רדיוס. על הסדרה הראשית יש גם קירוב הקושר הארה ומסה: L ≈ M^(7/2) עבור כוכבים בשלב זה.
בדיאגרמה רואים רצועה אלכסונית מן הפינה השמאלית‑עליונה של כוכבים בהירים וחמים (סיווג O, טמפרטורה מעל ≈25,000 K) אל הפינה הימנית‑תחתונה של כוכבים קרים וחיוורים (סיווג M, טמפרטורה נמוכה מ‑≈3,500 K). בנקודה השמאלית‑תחתונה נמצאים הננסים הלבנים. מעל הסדרה הראשית יושבים הענקים והעל‑ענקים האדומים. השמש, מסוג G2V, נמצאת קרוב למרכז עם הארה יחסית 1 וטמפרטורה כ‑5,400 K.
חלוקת הטיפוסים המקובלת היא O, B, A, F, G, K, M (אסימון לזכירה: "Oh Be A Fine Girl/Guy, Kiss Me"). במחקר ספקטרוסקופי מבחינים בשינויי קווי בליעה בין הטיפוסים. בכוכבים קרים מטיפוס M מופיעים קווים מולקולריים, ואילו בכוכבים חמים מטיפוס O מופיעים קווי בליעה של אטומים מיוננים. בהתאם לחוק וין, ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, אורך הגל שבו נפלטת מרבית האנרגיה קצר יותר.
השימוש בדיאגרמת HR הוא מרכזי במיון כוכבים ובהשוואה בין מודלים תאורטיים לתצפיות. מיקומו של כוכב על התרשים נקבע בעיקר על ידי מסתו בלידתו ובגילו. כוכבים קלים מאוד (מסה < 0.3 מסות שמש) נכנסים כננסים אדומים מטיפוס M. כוכבים דומים לשמש מתחילים כטיפוס G ונעים לאורך הסדרה הראשית עד לתחילת שלבי היתוך סיים ולמאפייני ענק אדום. ככל שמסת הכוכב גדולה יותר, קצב ההיתוך הגרעיני גבוה יותר וחיי הכוכב קצרים יותר; לדוגמה, ננס אדום עם כחצי עשירית ממסת השמש יכול לחיות כ‑100 מיליארד שנים, השמש כחמישה עד עשרה מיליארד, וכוכבים מעל 10 מסות שמש יחיו רק כמה עשרות עד מאות מיליוני שנים.
דיאגרמת הרצשפרונג‑ראסל מחברת בין כמה אור שכוכב נותן לבין חום פניו. רוב הכוכבים מסודרים ברצועה שנקראת הסדרה הראשית.
בהירות מוחלטת אומרת כמה אור וכוח הכוכב מוציא. טמפרטורת פני השטח היא החום על פני הכוכב. חום מדדו על‑ידי בדיקת האור לצבעים (ספקטרוסקופיה, פירוק אור לצבעים). כדי לדעת בהירות מדויקת צריך גם לדעת מרחק.
בדיאגרמה רוב הכוכבים נמצאים ברצועה אלכסונית. משמאל למעלה יש כוכבים חמים ובהירים. מימין למטה יש כוכבים קרים וחיוורים. הננסים הלבנים יושבים בתחתית שמאל, והענקים מעל הסדרה הראשית. השמש שלנו היא כוכב טיפוס G, עם חום כ‑5,400 קלווין ובהירות יחסית 1.
יש סוגים מסומנים באותיות O, B, A, F, G, K, M. זכרו את השורה עם הביטוי באנגלית המוכר. כוכבים חמים פולטי אור בכחול, וכוכבים קרים יותר פולטי אור בהטיה לאדום. בבדיקת האור רואים קווים שונים, וכך יודעים איזה טיפוס כל כוכב.
