Secondo la classificazione mostrata dal diagramma Hertzsprung-Russell, le giganti rosse sono ormai uscite dalla sequenza principale e si trovano nel ramo orizzontale oppure nel ramo asintotico delle giganti (vedi evoluzione stellare).

Si pensa che siano stelle di massa pari a quella del Sole o più grandi, a seconda dei casi, che hanno finito la riserva di idrogeno nei loro nuclei e hanno iniziato a bruciare idrogeno in un involucro esterno al nucleo. Poiché la sorgente di energia è più vicina alla superficie, la stella inizia ad espandersi. Questo rende la stella più luminosa, ma riduce anche la sua temperatura superficiale. Questo perché il suo raggio aumenta più di quanto non faccia la luminosità. La stella diventa quindi più grande, ma più fredda e più rossa.

Se la stella ha una massa minore di 2,5 masse solari, l'elio presente nel suo nucleo inizia improvvisamente un proprio processo di fusione nucleare, producendo quello che viene chiamato il flash dell'elio, un'improvvisa produzione di energia nel cuore della stella, la quale deve adattarsi modificando la propria struttura interna e cominciando un'altra ascesa nel ramo delle giganti. Le stelle con massa superiore a 2,5 masse solari vivono questa transizione in modo molto più rilassato, ma iniziano anch'esse a bruciare elio. La fase di bruciatura dell'elio è chiamata il ramo orizzontale, perché la maggior parte delle stelle che attraversano questa fase si dispongono lungo una linea orizzontale nel diagramma H-R. Le stelle più ricche di metalli invece non si dispongono lungo la stessa retta, ma in una zona diversa.

Le stelle più grandi possono passare attraverso la fase di gigante rossa più di una volta, perché sono in grado di bruciare elementi chimici più pesanti dell'elio nei loro nuclei. Queste stelle si dispongono nel ramo asintotico delle giganti, e si muovono alternativamente tra questo e la zona delle stelle giganti OB.

Vedi anche: gigante blu, stella supergigante, nana rossa