Đầu thế kỷ 20, Ejnar Hertzsprung và Henry Norris Russell độc lập vẽ cùng một đồ thị: trục ngang là nhiệt độ bề mặt, trục dọc là độ sáng thực. Kết quả không phải một đám mây điểm ngẫu nhiên mà là một cấu trúc rõ ràng.

Dải chính

Khoảng 90% các ngôi sao nằm trên một dải chéo từ góc trên bên trái xuống góc dưới bên phải. Đó là những ngôi sao đang đốt hydro trong lõi — giai đoạn dài nhất và ổn định nhất của một đời sao. Mặt Trời nằm ở giữa dải này.

Vị trí trên dải chính do đúng một thứ quyết định: khối lượng. Sao nặng nằm ở đầu nóng và sáng, đốt nhiên liệu hoang phí, sống vài triệu năm. Sao nhẹ nằm ở đầu nguội và mờ, tiết kiệm đến mức vũ trụ chưa đủ già để bất kỳ sao nào loại đó kịp chết.

Rời khỏi dải chính

Khi hydro trong lõi cạn, ngôi sao phình ra và nguội đi ở bề mặt nhưng sáng hơn nhiều — nó dịch sang góc trên bên phải, vào nhánh sao khổng lồ đỏ. Sau đó, tuỳ khối lượng, nó co lại thành sao lùn trắng ở góc dưới bên trái, hoặc nổ tung.

Vì mỗi giai đoạn có một vị trí riêng, đếm số sao ở từng vùng trong một cụm sao cho ta tuổi của cụm đó. Biểu đồ H–R vừa là bản đồ vừa là đồng hồ.