A nagy tömegű csillagok tömege többszöröse a napnak. Ezek a csillagok kevésbé vannak az univerzumban, mert a gázfelhők sok kisebb csillaggá sűrűsödnek. Ráadásul rövidebb az életük, mint a kis tömegű csillagoké. Csökkent számuk ellenére ezek a csillagok még mindig nagyon megkülönböztető és észrevehető tulajdonságokkal rendelkeznek.
Valamennyi csillagot magfúzió működteti. A csillag élete nagy részét egy olyan fázisban tölti, amelyet fő sorrendnek neveznek, amelyben a hidrogénatomokat héliummá olvasztja. Egy nagy tömegű csillagnak ennél a folyamatnál több hidrogén kell égetnie. Az e folyamat által felszabadított energia magasabb hőmérsékletet tart fenn, és a csillag viszont több hidrogént fog égetni, mint egy kis tömegű csillag. Ezért a nagy tömegű csillagok gyorsabban égetik el energiájukat, mint a kis tömegű csillagok. Egy csillag, amelynek tömege a nap tízszerese, 20 millió év fő sorozatából élhet, míg alacsony tömegű csillagok, például a vörös törpe csillagok élettartama nagyobb lehet, mint a világegyetem.
A csillagokat spektrális jellemzőik szerint különböző osztályokba osztják. A fő spektrális osztályok csökkenő hőmérsékleti sorrendben O, B, A, F, G, K és M Ezek az osztályok a csillagok tömegének is megfelelnek, az O osztályú csillagok a legnagyobb tömegűek. A nap egy G osztályú csillag. Az M osztályú csillagok tömege nagyjából a nap 10 százaléka, felületi hőmérséklete 2500 és 3900 K között van. Ezzel szemben az O osztályú csillagok tömege 60-szor nagyobb, mint a napé, felületi hőmérséklete pedig 30 000 és 50 000 K között lehet. A B spektrális osztályba tartoznak a csillagok, amelyeknek a tömege a nap kétszerese vagy háromszorosa, és a nap tömege körülbelül 18-szorosa. A B osztályú csillagok hőmérséklete 11 000 és 30 000 K között mozog. Az A és F spektrális osztályba olyan csillagok tartoznak, amelyek csak kissé masszívabbak, mint a nap.
A legalább 1,3-szor olyan hatalmas csillagok, mint a nap, másfajta fúzión eshetnek át, mint a legtöbb csillag. A kevésbé masszív csillagok hidrogén-fúzión mennek keresztül fő szekvenciájuk során, hélium-fúziójuk pedig későbbi életük során. A nagyobb tömegű csillagok héliumot hozhatnak létre mind a hidrogénfúzió, mind a szén-nitrogén-oxigén folyamat révén. Ez lehetővé teszi ezeknek a csillagoknak az égését akkor is, ha az összes hidrogént és héliumot elhasználják. Viszont ezek a nagy tömegű csillagok későbbi életük során egyre nagyobb elemeket olvaszthatnak össze.
A nagy tömegű csillag életének végén magja vasból áll. Ez a vas stabil, és nem fog fúziónak alávetni. Végül a vasmag a gravitáció következtében összeomlik, és a csillag szupernóváként felrobbanhat. A csillag tömegétől függően a csillag magja neutroncsillaggá vagy fekete lyukká válhat. Ezek a végpontok nagyon különböznek más csillagok többségétől, amelyek forróbb fehér törpe csillagként fejezik be az életüket.