Většina hvězd je rozdělena do malého počtu spektrálních typů. Henry Draper Catalogue a Bright Star Catalogue uvádějí spektrální typy od nejžhavějších po nejchladnější hvězdy (viz hvězdná klasifikace). Tyto typy se označují v pořadí podle klesající teploty písmeny O, B, A, F, G, K a M. Tuto skupinu doplňují hvězdy typu R a N (dnes často označované jako uhlíkové hvězdy nebo hvězdy typu C) a hvězdy typu S. Hvězdy tohoto typu jsou označovány jako hvězdy s teplotou nižší než teplota. Hvězdy typu R, N a S se od ostatních liší chemickým složením a také jsou to vždy obři nebo veleobři. S objevem hnědých trpaslíků – objektů, které vznikají podobně jako hvězdy, ale nezáří termojadernou fúzí – byl systém hvězdné klasifikace rozšířen o spektrální typy L, T a Y.
Spektrální posloupnost O až M představuje hvězdy v podstatě stejného chemického složení, ale různých teplot a atmosférických tlaků. Tato jednoduchá interpretace, kterou ve 20. letech 20. století předložil indický astrofyzik Meghnad N. Saha, poskytla fyzikální základ pro všechny pozdější interpretace hvězdných spekter. Spektrální posloupnost je zároveň posloupností barev: hvězdy typu O a B jsou ze své podstaty nejmodřejší a nejteplejší; hvězdy typu M, R, N a S jsou nejčervenější a nejchladnější.
V případě chladných hvězd typu M spektra naznačují přítomnost známých kovů, včetně železa, vápníku, hořčíku a také molekul oxidu titaničitého (TiO), zejména v červené a zelené části spektra. U poněkud teplejších hvězd typu K prvky TiO mizí a spektrum vykazuje bohatství kovových čar. U těchto hvězd a dokonce i u hvězd typu G, jako je Slunce, přetrvává několik zvláště stabilních fragmentů molekul, jako je kyanogen (CN) a hydroxylový radikál (OH). Ve spektrech hvězd typu G dominují charakteristické čáry kovů, zejména železa, vápníku, sodíku, hořčíku a titanu.
Chování vápníku ilustruje jev tepelné ionizace. Při nízkých teplotách si atom vápníku zachovává všechny své elektrony a vyzařuje spektrum charakteristické pro neutrální neboli normální atom; při vyšších teplotách mají srážky mezi atomy a elektrony a absorpce záření tendenci k odtržení elektronů a ke vzniku samostatně ionizovaných atomů vápníku. Zároveň se tyto ionty mohou rekombinovat s elektrony a vytvářet neutrální atomy vápníku. Při vysokých teplotách nebo nízkých tlacích elektronů, případně při obojím, je většina atomů ionizována. Při nízkých teplotách a vysokých hustotách rovnováha upřednostňuje neutrální stav. Koncentrace iontů a neutrálních atomů lze vypočítat z teploty, hustoty a ionizačního potenciálu (konkrétně energie potřebné k odtržení elektronu od atomu).
Absorpční čára neutrálního vápníku při 4227 Å je tedy silná u chladných trpasličích hvězd typu M, u kterých je vysoký tlak a nízká teplota. U horkých hvězd typu G jsou však čáry ionizovaného vápníku při 3968 a 3933 Å (čáry H a K) mnohem silnější než jakýkoli jiný prvek ve spektru.
U hvězd spektrálního typu F jsou čáry neutrálních atomů ve srovnání s čarami ionizovaných atomů slabé. Silnější jsou čáry vodíku, které dosahují maximální intenzity u hvězd typu A, u nichž je povrchová teplota přibližně 9 000 K. Poté tyto absorpční čáry postupně slábnou, jak se vodík ionizuje.
Horké hvězdy typu B, jako je Epsilon Orionis, se vyznačují čarami helia a jednotlivě ionizovaného kyslíku, dusíku a neonu. U velmi horkých hvězd typu O se objevují čáry ionizovaného helia. K dalším výrazným rysům patří čáry dvojnásobně ionizovaného dusíku, kyslíku a uhlíku a trojnásobně ionizovaného křemíku, k jejichž vzniku je zapotřebí více energie.
V modernějším systému spektrální klasifikace, nazývaném MK systém (podle amerických astronomů Williama W. Morgana a Philipa C. Keenana, kteří jej zavedli), je hvězdě spolu s Draperovým spektrálním typem přiřazena i třída svítivosti. Například hvězda Alpha Persei je klasifikována jako F5 Ib, což znamená, že spadá přibližně do poloviny mezi začátek typu F (tj. F0) a typ G (tj. G0). Přípona Ib znamená, že se jedná o středně svítivého veleobra. Hvězda Pi Cephei, klasifikovaná jako G2 III, je obrem spadajícím mezi G0 a K0, ale mnohem blíže G0. Slunce, trpasličí hvězda typu G2, je klasifikováno jako G2 V. Hvězda třídy svítivosti II spadá mezi obry a veleobry; hvězda třídy IV se nazývá podobr.