我们对恒星的了解大多数来自理论的模型和模拟，而这些理论只是建立在恒星光谱和直径的测量上。除了太阳之外，首颗被测量出直径的恒星是参宿四，是由亚伯特·亚伯拉罕·米歇尔森在1921年使用威尔逊山天文台100寸的胡克望远镜完成（约1150个太阳直径）。
对地基的望远镜而言，绝大多数的恒星盘面都太小而无法察觉其角直径，因此要使用干涉仪望远镜才能获得这些恒星的影像。另一种测量恒星角直径的技术是掩星：这种技术精确的测量被月球掩蔽时光度减弱的过程（或再出现时光度回升的过程），依此可以计算出恒星的视直径。
恒星的尺寸，从小到只有20公里到40公里的中子星，到像猎户座参宿四的超巨星，直径是太阳的1150倍，大约16亿公里，但是密度比太阳低很多。目前观测到的体积最大恒星是大犬座VY，体积约为太阳的100亿倍，质量达50倍太阳质量。
一颗恒星相对于太阳运动可以提供这颗恒星的年龄和起源的有用信息，并且还包括周围的星系结构和演变。一颗恒星运动的成分包括径向速度是接近或远离太阳，和横越天空的角动量，也就是所谓的自行。
径向速度是由恒星光谱中的多普勒位移来测量，它的单位是公里/秒。恒星的自行是经由精密的天体测量来确认，其单位为百万分之一弧秒（mas)/年。经由测量恒星的视差，自行可以换算成实际的速度单位。恒星自行速率越高的通常就是比较靠近太阳，这也使高自行的恒星成为视差测量的理想候选者。
一旦两种运动都已测出，恒星相对于太阳恒星系的空间速度就可以算出来。在邻近的恒星中，已经发现第一星族的恒星速度通常比较老的第二星族的恒星低，而后者是以倾斜于平面的椭圆轨道运转的。比较邻近恒星的动能也能导出和证明星协的结构，它们就像起源于同一个巨大的分子云中共同向着同一个点运动的一群恒星。
恒星的磁场起源于恒星内部对流的循环开始产生的区域。具有导电性的等离子像发电机，引起在恒星中延伸的磁场。磁场的强度随着恒星的质量和成分而改变，表面磁性活动的总量取决于恒星自转的速率。表面的活动会产生星斑，是表面磁场较正常强而温度较正常低的区域。拱型的星冕圈是从磁场活跃地区进入星冕的光环，星焰是由同样的磁场活动喷发出的高能粒子爆发的现象。
由于磁场的活动，年轻、高速自转的恒星倾向于有高度的表面活动。磁场也会增强恒星风，然而自转的速率有如闸门，随着恒星的老化而逐渐减缓。因此，像太阳这样高龄的恒星，自转的速率较低，表面的活动也较温和。自转缓慢的恒星活动程度倾向于周期性的变化，并且可能在周期中暂时停止活动。像是蒙德极小期的例子，太阳有大约70年的时间几乎完全没有黑子活动。
恒星的自转可以透过分光镜概略的测量，或是追踪星斑确实的测量。年轻恒星会有很高的自转速度，在赤道可以超过100公里/秒。例如，B型的水委一在自转的赤道速度就高达225公里/秒甚至更高，使得赤道半径比极赤道大了50%。这样的速度仅比让水委一分裂的临界速度300公里/秒低了一些。相较之下，太阳以25–35天的周期自转一圈，在赤道的自转速度只有1.994公里/秒。恒星的磁场和恒星风对主序带上恒星的自转速率的减缓，在演变有着重要的影响。
简并恒星压缩成非常致密的物质，同时造成高速的自转。但是相较于它们在低自转速速的状态由于角动量守恒，—一个转动的物体会以增加自转的速率来补偿尺寸上的缩减，而绝大部分消散的角动量是经向外吹拂恒星风带走的。无论如何，波霎的自转是非常快速的，例如在蟹状星云核心的波霎，自转速率为每秒30转。波霎的自转速率会因为辐射发射而减缓。
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