红巨星的表面很红很亮，表面温度低但亮度高，大气层厚得像裹着厚毯子。它们的体积比太阳大几十倍，但核心温度反而更低，所以只能靠扩大表面积来增加亮度。表面布满气态氢和氦，还有尘埃颗粒，让光线散射成红色。大气层厚度能达到500到2000公里，内部对流强烈，把物质翻涌到表面形成斑驳纹理。

红巨星的表面温度在2000到4000K之间，比太阳低约2000K。虽然温度低，但体积增大到太阳的100到1000倍，表面积就变成太阳的10万到100万倍。根据斯特藩-玻尔兹曼定律，亮度与表面积的四次方成正比，所以亮度反而更高。大气对流层厚度约500-2000公里，像吹气球一样膨胀时，表面会浮现出红色斑块和环形结构。观测数据显示，红巨星大气中尘埃颗粒浓度比太阳高3-5倍，散射红光更明显。当核心氢耗尽后，外层物质膨胀速度可达每秒20公里，把大气层吹成蘑菇状，表面温度骤降到2000K以下，亮度却暴涨100倍以上。