位於赫羅圖主序帶上的恒星。銀河系中，大多數恒星在赫羅圖上密集於由左上方（高溫、強光度）至右下方（低溫、弱光度），沿稍微彎曲的對角線的狹窄帶區內，形成一個明顯的序列，這個序列叫作主星序。包括觀測到的90%恒星。“主序”這詞是用來表示處於穩定狀態的恒星，此時恒星的氣體的壓力與引力相平衡。恒星在主序上度過它壽命的90%的時間，直到內部的氫聚變為氦的熱核反應停止。主序星由引力和壓力兩種力所制約，凡內部核心區氫聚變為氦的恒星都落在赫羅圖的主主序星上。質量比較大的恒星因為引力的作用比較大，需要有較多的核反應釋放較多的能量，提供較大的向外壓力，維持住穩定的結構。因此，赫羅圖裡主序列帶上的恒星都是處於這種穩定的階段。按照質量大小排列，質量越大的越在左上方高亮度的地方。恒星在形成之後就依據它的質量出現在主序列帶上的某個位置，然後緩慢變化，在主序列帶上度過主要的生命期。質量為M、光度為L的主序星的壽命T為：T=M/L。另外，由主序星的質量–光度關系L/L⊙≈(M/M⊙)3.5，可得主序星的壽命T=M/L=(M/M⊙)−2.5。這說明恒星的質量大則壽命短；質量小則壽命長。計算結果表明，當恒星中氫的總質量的1/10被轉換成氦，它將迅速離開主序。在量級上，Tms～(M/M⊙)(L/L⊙)−11010年。
主序星因其光度比巨星和亞巨星小，所以又叫矮星。在MK二元光譜分類中的光度級符號為羅馬字V。主序星的光譜范圍很廣，從O型到M型。太陽是G2型的主序星（見恒星光譜）。主序星的光度隨著表面溫度的增高而增大。質量從約百分之幾到約60倍太陽質量，光度從約10−3到大於105倍太陽光度，半徑從比太陽小一個數量級到太陽的20倍左右。恒星到達主序的時間稱為時間零點，建立恒星模型時關鍵的一步就從此時開始。“零齡主序”指的是在赫羅圖上描述滿足下列條件星的集合的那些點所構成的軌跡。這些條件是：它們都有完全相同或非常相近的化學組成，都處於流體靜力學和熱力學平衡；能量隻來源於核燃燒。
主序星的性質可通過恒星內部發生的物理過程加以理解。首先是流體靜力學平衡，該過程決定恒星內部壓力梯度與引力相平衡時的密度結構。另一方法可把恒星想象成套在一起的許多球形殼層，每一殼層受到它內部物質的引力的內拉，氣體的壓力和輻射的外推，兩種力相平衡。主序星非常穩定，以穩定的速率向外輻射能量。太陽是正處在主序上的中年恒星。主序星的能量來源於核內氫聚變為氦的熱核反應。一顆恒星出現在主星序上，是它的核心開始氫聚變為氦。它在主星序上大約用完它的12%的氫便離開主星序，恒星在這個階段停留的時間最長，占其壽命的90%（對於一個質量與M⊙差不多的星壽命約為100多億年）。觀測到的主序上限是60M⊙，若質量再大的星則不穩定，會驅動脈動；計算的主序下限是0.085M⊙，低於這個質量則成為不產生核反應的黑矮星；若它們不燃燒氫，可能燃燒氘和鋰等輕元素，它們被稱為褐矮星。主序上第二個重要的質量是M對流≈1.1M⊙。質量大於M對流的恒星有對流層，而小於M對流的恒星其核心隻有輻射，大質量星的核心是對流的。恒星的質量決定瞭它們離開主序後的演化走向：①類似太陽的恒星，核心氦燃燒為碳，殼層氫燃燒為氦，變為紅巨星；②質量比太陽小的恒星坍縮為黑矮星；③比太陽質量大幾倍的星，如5M⊙，它們以另外的方式離開主序，發展為紅超巨星，最後發生超新星爆發，外層拋向星際空間，內部形成中子星，表現為脈沖星；④更大質量的星發展為黑洞。