Приблизительно половина всех "звезд" на самом деле - двойные или кратные системы, хотя многие из них расположены так близко, что компоненты по отдельности наблюдаться не могут. Присутствие второй звезды (или нескольких других звезд) можно обнаружить по появлению комбинированного спектра. Два компонента двойной системы вращаются по эллиптической орбите вокруг общего центра масс. Чем дальше они друг от друга, тем медленнее движутся.

Пары, в которых угловое расстояние достаточно велико для того, чтобы звезды можно было разрешить при наблюдении в телескоп, часто имеют период обращения 50 -100 лет. Такие пары называются визуально-двойными.

Если одна звезда намного слабее другой, ее присутствие можно обнаружить только по видимому движению более яркого компаньона. Пары такого типа называются астрометрическими двойными.

Двойные звезды, распознаваемые только спектроскопическими методами, называются спектрально-двойными. Их периоды обычно составляют от нескольких дней до нескольких недель.

Иногда компоненты двойных систем расположены так близко, что гравитация искажает сферическую форму звезд. Они могут обмениваться веществом и могут быть окружены общей газовой оболочкой.

Если орбиты двойной системы сориентированы в пространстве так, что при наблюдении с Земли одна звезда проходит перед другой, система называется затменной двойной. Такая система имеет переменную яркость, так как одна звезда периодически заслоняет свет другой. Самая известная затменная двойная - Алголь.