El grupo esférico o casi esférico de estrellas viejas; contienen entre 100.000 y 10 millones de estrellas y poseen diámetros de unos 100 años luz. Los dos cúmulos más brillantes, ambos observables a simple vista, se encuentran en el hemisferio austral: Omega Centauri y 47 Tucanae. El cúmulo globular más destacable del hemisferio boreal es el M13, en la constelación Hércules, que puede apreciarse a simple vista en una noche despejada. En los cúmulos globulares, la concentración de estrellas en la parte central puede ser 100.000 veces mayor que en la región del espacio ocupada por nosotros, y desde la perspectiva terrestre puede parecer que las estrellas se fusionan entre sí.
Los cúmulos globulares se encuentran en un halo esférico en torno a nuestra galaxia, la Vía Láctea, y siguen órbitas elípticas en torno a su centro. En nuestra galaxia se conocen unos 140 cúmulos globulares conocidos, aunque muchos de ellos pueden estar ocultos a la vista por nubes de polvo y gas. También pueden verse cúmulos globulares alrededor de otras galaxias. Las galaxias en espiral poseen un número de cúmulos globulares similar al de nuestra galaxia, pero las galaxias elípticas pueden tener hasta diez veces más.
Los cúmulos globulares contienen algunas de las estrellas más antiguas de nuestra galaxia, con edades de 10.000 millones de años o más, más de dos veces la edad del Sol. Ese tipo de estrellas tan antiguas se dice que pertenecen a la población II (véase Vía Láctea). La edad de un cúmulo puede estimarse mediante la representación de sus estrellas en un diagrama de Hertzsprung-Russell. Dado que la velocidad de evolución de una estrella depende de su masa, el punto en el que la estrella comienza a salirse de la secuencia principal para convertirse en una estrella gigante, muestra la edad del cúmulo.
Un signo que muestra que un cúmulo globular se encuentra en una edad muy avanzada es que se encuentre libre de gas y polvo interestelar, elementos que intervienen en la creación de nuevas estrellas. Otro signo es que las estrellas que lo forman contengan cantidades muy pequeñas de elementos más pesados que el helio y el hidrógeno. El Sol, una estrella relativamente nueva, posee una proporción mayor de elementos pesados que los miembros de los cúmulos globulares.
Los cúmulos globulares se cree que se formaron cuando la inmensa nube de polvo y gas que dio lugar a nuestra galaxia se estaba colapsando en la forma aplanada que posee en la actualidad. Como el Sol está en la zona exterior de la galaxia, la mayoría de los cúmulos se encuentra en una mitad del cielo hacia el centro de la galaxia; son más numerosos en las constelaciones Escorpio, Sagitario y Ofiuco. De hecho, el astrónomo estadounidense Harlow Shapley dedujo el tamaño y la extensión reales de nuestra galaxia, y nuestra posición en la misma, a partir del estudio de la distribución de cúmulos globulares. Las distancias a los cúmulos globulares pueden hallarse gracias a que contienen un tipo de estrellas variables, las estrellas RR Lyrae, que poseen una luminosidad conocida.
Cuando las estrellas se mueven en el campo gravitatorio del cúmulo pasan muy cerca unas de las otras, inevitablemente. Ese tipo de encuentros afecta a la evolución de las estrellas y a la del cúmulo como un todo. Como resultado, en los cúmulos pueden encontrarse muchos tipos de estrellas poco habituales. Entre ellas se encuentran unas estrellas de la secuencia principal cuyo desarrollo parece haberse retrasado: sus masas relativamente grandes implican que en este momento ya deberían haber evolucionado para convertirse en gigantes. Ese tipo de estrellas probablemente comenzó a existir con una masa menor y, por tanto, recibieron materia de su pareja en un sistema binario cerrado, o de una fusión con otra estrella. Otros casos en los que se produce transferencia de masa entre dos estrellas son unos púlsares que rotan en unas pocas milésimas de segundo gracias a que han sido impulsados por materia incidente, y las binarias de rayos X. Ambos tipos de objetos son comunes en los cúmulos globulares. En alguna de las etapas tardías de la vida de un cúmulo globular, las estrellas de su interior se acercan entre sí en un fenómeno conocido como colapso nuclear. Esto puede conducir a densidades 100 veces superiores a las habituales en los centros de los cúmulos globulares normales —esto es, unas 30.000 estrellas por año luz cúbico, frente a las 3 estrellas por mil años luz cúbicos existentes en la región donde se encuentra el Sol.
