恒星诞生于分子云中。分子云中的致密区域发生塌缩最终形成恒星。红外以及射电望远镜以其波长优势，可以探测到分子云内部的结构，特别是射电望远镜的谱线观测可以探测到分子云内部的动力学过程，这些对于我们理解恒星形成过程有极大的帮助。

在产生恒星的稠密星云中，大部分氢以分子的形式存在，因此这些星云被称为分子云。观测表明，最冷的分子云倾向于形成低质量恒星，首先在云层内部的红外线中观察到，然后在云层消散时在其表面的可见光中观察到，而通常较温暖的巨型分子云产生各种质量的恒星。这些巨型分子云的典型密度为每立方厘米100个粒子，直径为100光年，质量高达600万个太阳质量，平均内部温度为10 K。

分子云的质量占银河系总质量的一半。在银河系中，估计有6000个分子云，每个分子云的质量都超过100000太阳质量。离太阳最近的一个正在形成大质量恒星的星云是猎户座星云，距离太阳1300光年，低质量恒星的形成大约发生在400-450光年远的ρ Ophiuchi云系中。

恒星形成的一个更紧密的地方是由致密气体和尘埃组成的不透明云（暗云），称为博克球状体，以天文学家巴特博克的名字命名。这些云可以与坍塌的分子云联合形成，也可以独立形成。博克球状体的直径通常可达一光年，质量为几个太阳质量。它们与明亮的星云或背景恒星形成对比容易被观测到。超过一半的已知博克球状体被发现含有新形成的恒星。

大质量恒星（大于8个太阳质量）形成原恒星后会具有很强的紫外辐射，这些辐射出来的紫外光子会电离星周物质（光致离解）。由于分子云中大部分是氢原子和氢分子，所以这片电离的区域又被叫做电离氢区。

由于恒星诞生于分子云中的致密区域，只能利用可见光以外波长的观测。1997年的2微米全天巡天（The two Micro All Sky Survey；2MASS）是最早的大尺度近红外巡天观测，揭示了近红外的宇宙图像。然而即使是红外观测，实际上也遭遇了困难，大气层在20微米到850微米几乎是完全不透明的，只有在200微米和450微米有狭窄的窗口。在这范围之外必须使用消光技术观测。比较著名的消光观测有数字巡天观测（Digitized Sky Survey I；DSS）和斯隆数字巡天观测（The Sloan Digital Sky Survey; SDSS）。

除了近红外消光之外，尘埃连续谱辐射和分子转动跃迁辐射也可以直接探测分子云内部的结构，尤其是分子跃迁辐射光谱，可以精确的测得分子云的运动学特征（引力塌缩，外向流等）。银河系内的分子云动力学图景可以参考哥伦比亚大学的CO分子巡天。

根据恒星质量不同，它的形成机制也有些微不同。低质量恒星形成的理论得到了观测的有力支持，即低质量恒星是由分子云中旋转密度增加的引力坍缩形成的。由气体和尘埃组成的旋转云的塌缩导致吸积盘的形成，物质通过吸积盘被引导到中心原恒星上。为了维持角动量守恒，原恒星上垂直盘的轴的两极会有物质外流。对于大质量恒星的形成机制还不了解。

大质量恒星释放出大量的辐射，这些辐射会对正在形成的物质产生反作用力。过去，人们认为这种辐射压力可能足够大，足以阻止大质量原恒星的吸积，并阻止质量超过几十个太阳质量的恒星的形成。最近的理论研究表明，喷流和外流的产生清除了一个空腔，大质量原恒星的大部分辐射可以通过这个空腔逸出，而不妨碍通过圆盘和原恒星的吸积。大质量恒星可能因此能够通过一种类似于低质量恒星形成机制的机制形成。越来越多的证据表明，至少一些大质量的原恒星确实被吸积盘所包围。其他一些关于大质量恒星形成的理论仍有待于观测检验。其中，也许最突出的是竞争吸积理论，它表明大质量的原恒星是由低质量的原恒星“播种”的，这些原恒星与其他原恒星竞争，从整个母体分子云中吸积物质，而不是仅仅从一个小的局部区域。