主星序（main sequence）是赫罗图上位于对角线的曲线，绝大部分的恒星都坐落在这个范围上，在这个区域内的恒星被称为主序星或矮星，其中则以红矮星的温度最低。这条线是非常明显的，因为只要氢核聚变持续在进行，恒星光谱类型与亮度都与恒星的质量有直接的关联，而且恒星的一生也几乎都花费在这个阶段上。

需要注意的是，即使在理想的观测下，主序带还是会有些模糊不清，因为不单只有质量这一项参数，化学组成相关的演化状况也会略微改变恒星在主序带上的位置。明确的说，有些金属贫乏的恒星（次矮星），位置就在主序带的下方，一样进行着氢的核聚变，但在主星序的下端就会因为化学组成而造成混淆不清的状况。

天文学家有时会提到“零龄主星序”(ZAMS)，这是由电脑计算所得的曲线，标示的是恒星开始氢的核聚变时，它的亮度与表面温度，而典型的恒星会随著年龄开始增加表面温度与亮度。当恒星诞生时会进入主星序，濒临死亡前就会离开主星序。