Il diagramma H-R, dal nome dei due astronomi, Ejnar Hertzsprung e Henry Norris Russell, che attorno al 1910 lo idearono indipendentemente, è uno strumento teorico che mette in relazione la temperatura effettiva (riportata in ascissa) e la luminosità (riportata in ordinata) delle stelle. Temperatura e luminosità sono infatti quantità fisiche che dipendono strettamente dalle caratteristiche intrinseche della stella, vale a dire massa, età e composizione chimica; non sono misurabili direttamente dall'osservatore, ma possono essere derivate attraverso modelli fisici. E poiché esistono legami tra la temperatura efficace di una stella ed il suo indice di colore (la differenza di magnitudine nel blu e nel rosso), e tra la luminosità intrinseca della stessa e la sua magnitudine apparente, è possibile ottenere un diagramma definito appunto "diagramma colore-magnitudine" che mette in relazione 2 quantità misurabili direttamente dall'osservatore: il colore della stella e la sua magnitudine. Una diretta conseguenza di quanto stiamo dicendo è che se rappresentiamo in un piano cartesiano migliaia di stelle, queste non si disporranno a casaccio secondo leggi statistiche, ma tenderanno a concentrarsi in alcune zone ben definite. Le più importanti sono la Sequenza Principale, dove le stelle bruciano l'idrogeno, il ramo delle giganti, (in alto a destra) e quello delle stelle nane (in basso a sinistra del diagramma).

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