Nach einer gewissen Zeit geht auch das Helium im Kern zur Neige, der jetzt aus den Elementen Kohlenstoff und Sauerstoff besteht. Es kommt wieder zu einer Kernkontraktion und einen Aufblähen der Hülle des Sterns. Wieder steigt die Temperatur im Kerngebiet und an der Kernoberfläche solange an, bis das Heliumbrennen in einer Schale um den Kern zündet. Der Riese besitzt nun also zwei ineinandergeschachtelte Schalen aus denen er seinen Energiebedarf deckt. Im Hertzsprung-Russell-Diagramm wandert der Riese wieder nach rechts, da durch das Aufblähen der Hülle die Effektivtemperatur fällt. Wegen der veränderten chemischen Zusammensetzung verfolgt der zweite Aufstieg im Hertzsprung-Russell-Diagramm, der wieder durch die Erhöhung der Leuchtkraft hervorgerufen wird, nicht genau den selben Weg wie der erste, sondern nahezu parallel zum Riesenast und lehnt sich nach oben an ihn an. Diese Phase der Entwicklung wird als asymptotischer Riesenast (abgekürzt AGB, von "asymptotic giant branch"). Sterne in dieser Entwicklungsphase häufig als AGB-Sterne oder, wegen ihres Aufbaus, auch als Doppelschalensterne bezeichnet. 
Der Aufstieg führt außerdem viel weiter nach rechts als der erste bis zu dem Spektralklassen M7, M8 oder sogar noch weiter nach rechts. An der Spitze des asymptotischen Riesenasts werden sie instabil, pulsieren und erscheinen uns als Mirasterne. Die AGB-Phase ist aber bis heute noch nicht vollständig verstanden und hängt sehr davon ab wie effektiv die Konvetion neuen Brennstoff in die Schale und Energie nach außen schafft. Für die Astrophysiker ist es bislang ein großes Problem die Konvektion, ohne den Durchmesser der Konvektionszellen, den man bislang nicht vorhersagen kann, zu berechnen.
Auch das Schalenbrennen bei Doppelschalensternen ist sehr komplex, da die beiden Schalen nicht gleichzeitig sondern abwechselnd brennen. Am Anfang der AGB-Phase brennt das Helium in einer tiefliegenden Schale. Durch die Aufblähung des Sterns sinkt die Temperatur in der Wasserstoffusionsschale und das Wasserstoffbrennen erlischt.
Das Heliumbrennen dauert nun solange an, bis die Heliumschicht aufgebraucht ist. Die Energieproduktion geht zurück. Nun kontrahiert wieder der Kern, die Temperatur an der Grenze zwischen Kern und wasserstoffreicher Hülle steigt und die Wasserstoffusion setzt wieder ein. Dadurch kommt es wieder zu einem Anwachsen der Heliumschicht, da durch die Wasserstoffusion neues Helium gebildet, aber nicht verbraucht wird. Der heliumhaltige Teil des Sterns kontrahiert nun langsam, wird dichter und heißer bis das Heliumbrennen explosionsartig an der Unterseite der Heliumschale einsetzt. Dieser Vorgang wird als thermischer Puls bezeichnet und ereignet sich etwa alle 10.000 bis100.000 Jahre. Wie oft dies passiert hängt von der Masse des Sterns und seiner chemischen Zusammensetzung ab, beläuft sich aber auf rund ein Dutzend Male.
Für Kerne eines Sterns, die die Masse von 1,4 Sonnenmassen niht überschreiten, verläuft die weitere Entwicklung ruhig. Durch den Druck der äußeren Schichten auf den Kern, entartet das Elektronengas in diesem. Durch die Entartung des Gases wird die Kontraktion zum endgültigen Stillstand gebracht. Die entgültige Masse des Sterns hängt von seiner Ausgangsmasse und den Masseverlust im Laufe seiner Entwicklung ab.

Die Masse die ein Stern am Ende seiner Entwicklung endgültig hat, hängt von seiner Ausgangsmasse und den Masseverlusten, die er im Laufe seiner Entwicklung z.B. in Form von Strahlungsenergie oder Abwerfen der Hülle erleidet, ab. Modellrechnungen zeigen, daß die Grenze von 1,4 Sonnenmassen (Chandrasekhar-Grenze) für einen Hauptreihenstern von acht Sonnenmassen gerade noch nicht überschritten wird. Am Ende der AGB-Phase kommt es bei Sternen zur Ausbildung eines Planetarischen Nebels. Wie dies geschieht ist bis heute umstritten und es gibt verschiedene Theorien. Eine Theorie besagt, das die Hülle durch den letzten thermischen Puls, der sehr heftig ist und an der Sternoberfläche stattfindet, in den Raum geschleudert wird und aufleuchtet wenn der Stern oder nunmehr der zurückbleibende Kern den nötigen UV-Fluß erzeugt. Eine andere Theorie geht davon aus, daß die schnellen Sternenwinde die langsamen Winde einholen, diese zusammenschieben und diese durch die Aufheizung aufleuchten.  Der Stern beendet seine Entwicklung als Weißer Zwerg.

 
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