Auch wenn mittlerweile die Durchmesser von einigen Sternen bestimmt werden konnten, bleiben sie im Teleskop doch nur Punkte. Oberflächenmerkmale können nicht direkt beobachtet werden. Allerdings können Sie schon aus dem Anblick im Fernglas einiges folgern. Genau wie unsere Sonne sind auch alle Sterne selbstleuchtende Gasbälle, die ihre Energie aus der Kernfusion beziehen, die im Kern des Sterns bei mehreren Millionen Grad abläuft. Das Licht, das wir von den Sternen sehen, stammt jedoch nicht direkt aus dem Zentrum der Sterne, sondern aus der so genannten Photosphäre, die gelegentlich auch vereinfacht als Sonnenoberfläche bezeichnet wird. Die Gase der Photosphäre glühen, wobei die Farbe von der Temperatur des Sterns abhängig ist. Ein etwa 6000°C heißer Stern wie unsere Sonne leuchtet gelb, kühlere Sterne (3000-4000°) leuchten rot. Bei einer Oberflächentemperatur von rund 7000° leuchten sie weiß, und blaue Sterne haben Temperaturen zwischen 11 000 und 40 000°. Aus der Farbe kann man also auf die Temperatur eines Sterns schließen, und aus der Temperatur lassen sich erste Rückschlüsse auf die Masse eines Sterns ziehen – für genauere Aussagen müssen allerdings noch seine Entfernung oder seine absolute Helligkeit, die sich aus seiner Entfernung und seiner scheinbaren Helligkeit an unserem Nachthimmel ergibt, bekannt sein.

Für sichere Aussagen muss man das Licht in seine Spektralfarben zerlegen. Massereiche Sterne verbrauchen ihren Wasserstoffvorrat sehr schnell, daher sind sie sehr heiß und können schon nach einigen hundert Millionen Jahren ausgebrannt sein. Kühlere Sterne wie unsere Sonne leuchten etwa elf Milliarden Jahre, und massearmen roten Zwergsternen genügt ihr Wasserstoffvorrat noch wesentlich länger. Im Lauf seines Lebens ändert sich das Spektrum und damit auch die Farbe eines Sterns zusätzlich.

Die Farbe lässt sich nur bei sehr hellen Sternen wahrnehmen, da das Auge niedrige Helligkeiten nur in Schwarz-Weiß wahrnimmt. Dabei ist es hilfreich, die Sterne leicht unscharf zu beobachten, da das Licht dann auf einen größeren Teil der Netzhaut fällt, was die Farbwahrnehmung erleichtert. Übrigens gibt es keine grünen Sterne: Sterne leuchten nicht nur in einer Farbe, sondern haben nur ein Helligkeitsmaximum bei einer bestimmten Farbe. Die übrigen Farben sind zwar schwächer, aber ebenfalls vorhanden. Da das Auge für das Farbensehen ein Bild aus drei Farben mischt, nehmen wir eigentlich grüne Sterne nicht als grün wahr.

Trotzdem wird gelegentlich von grünen Sternen berichtet – allerdings handelt es sich hier immer um Sterne in Doppelsternsystemen, sodass das Auge durch den Farbkontrast getäuscht wird und Grün sieht, wo eigentlich gar kein Grün ist. Die Farbwahrnehmung schwankt außerdem von Beobachter zu Beobachter, sodass sich für viele Sterne verschiedene Beschreibungen finden. Vor allem helle Sterne, die dicht am Horizont stehen, erscheinen zusätzlich farbig, da ihr Licht durch die Erdatmosphäre gebrochen und in seine Spektralfarben zerlegt wird – um die wirklichen Farben zu sehen, müssen Sie warten, bis der Stern hoch über dem Horizont steht.

Die scheinbare Helligkeit der Sterne gibt keinen Aufschluss darüber, wie hell sie in Wirklichkeit sind. Bereits aus zehn Lichtjahren Entfernung wäre unsere Sonne kaum noch zu erkennen. Die meisten Sterne, die wir am Nachthimmel sehen, sind sehr weit entfernte und sehr leuchtstarke Riesensterne, deren Durchmesser den der Sonne um ein Vielfaches übertrifft. Beteigeuze (α Orionis) in 30 Lichtjahren Entfernung zum Beispiel hat einen Durchmesser, der etwa dem der Bahn der Erde um die Sonne entsprechen dürfte. Umgekehrt sind viele sonnennahe Sterne so lichtschwach, dass sie erst in einem großen Teleskop entdeckt werden können. Erst im Jahr 2003 wurde zum Beispiel der nur sieben bis zehn  Lichtjahre entfernte Teegardens Stern entdeckt – mit 15,4^m ein sehr unauffälliges Objekt.