Ein Sternsystem oder Sternensystem ist eine kleine Anzahl von Sternen, die sich gegenseitig umkreisen, gebunden durch Gravitationsanziehung. Eine große Anzahl von Sternen, die durch Gravitation gebunden sind, wird allgemein als Sternhaufen bezeichnet, aber im weitesten Sinne sind sie auch Sternsysteme. Sternsysteme sind nicht mit Planetensystemen zu verwechseln, zu denen Planeten und ähnliche Körper gehören.

Ein Sternsystem aus zwei Sternen wird als Doppelstern, Doppelsternsystem oder physikalischer Doppelstern bezeichnet. Wenn es keine Gezeiteneffekte, keine Störung durch andere Kräfte und keine Übertragung von Masse von einem Stern auf den anderen gibt, ist ein solches System stabil. Beide Sterne umkreisen das Massenzentrum des Systems auf unbestimmte Zeit. Beispiele für Doppelsternsysteme sind Sirius, Procyon und Cygnus X-1, von denen das letzte wahrscheinlich aus einem Stern und einem Schwarzen Loch besteht.