Коли в ядрі зірки вигоряє весь гелій, зірка переходить в стадію надгігантів на асимптотическую горизонтальну гілку і стає червоним або жовтим надгігантом. Надгіганти відрізняються від звичайних гігантів, також гіганти відрізняються від зірок головної послідовності. Вони мають складну будову з багатьма зонами, в яких відбуваються ядерні реакції (див. Ядерні реакції в надгігантів). Спочатку в виродженим ядрі відбувається перетворення гелію в вуглець і кисень. Крім того, є тонка гелієва оболонка, в якій йдуть ядерні реакції, а навколо неї воднева - також з ядерними реакціями. Зовнішній водневий шарової джерело сусідить з глибокої конвективного зоною, яка перемішує все простір від шарового джерела до поверхні (див. Будова надгігантів).
Характерною особливістю фази надгігантів, мабуть, є нестабільність палаючої гелиевой оболонки, в якій відбуваються теплові спалаху. Ці спалахи вивільняють енергію у багато разів більшу (від сотень до мільйона разів), ніж енергія виділяється в водневому слоевом джерелі. Спалахи в гелієвому слоевом джерелі призводять до теплової пульсації зірок перебувають на стадії надгігантів. Періоди пульсацій таких зірок складають від декількох тисяч років для зірок з масами 5Мsun до сотень тисяч років для зірок з масами 0.6Мsun.
Теплові спалаху в гелієвому слоевом джерелі приводять до перемішування всієї зірки і зокрема до появи вуглецю на поверхні, що призводить до формування так званих вуглецевих зірок, у яких відношення C / O> 1, на відміну від характерного для космосу C / O
Далі сценарій еволюції відрізняється для зірок з M * <8Мsun и M*>8Мsun. Зірки з M * <8Мsun будут иметь вырожденное углеродное ядро, их оболочка рассеется (планетарная туманность ), а ядро превратится в белый карлик. Звезды с M*>8Мsun будуть еволюціонувати далі. Чим масивніше зірка, тим гаряче її ядро і тим швидше вона спалює все своє паливо. При цьому відбувається синтез все нових елементів аж до елементів залізного піку. На ядрі заліза процес синтезу важких елементів зупиняється, тому що реакції злиття ядер заліза і більш важких елементів йде з поглинанням енергії. Такі умови можуть бути реалізовані тільки в момент вибуху, що і відбувається в подальшому під час вибуху наднових типу II.
Після вигоряння вуглецю в масивної зірки можуть послідовно утворюватися такі елементи. кисень, кремній, залізо. При цьому виділяється все менше і менше енергії і як результат все коротшає тимчасова шкала вигоряння елемента.