中國古生物學家。1969年出生於新疆。1992年獲北京大學地質學系古生物與地層學專業學士學位。1995年獲中國科學院古脊椎動物與古人類研究所（IVPP）古脊椎動物學專業碩士學位，並留所從事研究工作。2001年在美國紐約自然博物館從事短期研究工作。2002年獲古脊椎動物與古人類研究所古脊椎動物學專業博士學位。2003年起任古脊椎動物與古人類研究所研究員。
主要從事中生代恐龍化石及相關地層學的研究工作，主要研究方向為虛骨龍類形態學、分類學和系統發育、鳥類起源、羽毛起源及早期演化、鳥類飛行起源、角龍類的形態學和早期演化、原始鳥臀類的形態學和系統關系、甲龍類的個體發育研究和侏羅紀及白堊紀陸相地層對比。
提出了恐龍向鳥類的演化過程和演化模式上迄今為止最為翔實的證據和模型；建立虛骨龍類系統發育分析最綜合的壹個數據庫，提出目前最為可靠的系統學假說之壹；發現虛骨龍類個體大小在進化樹上的異常變化現象常常導致壹系列關鍵性特征的趨同演化；發現虛骨龍類的不同支系表現的相反演化趨向，而這些反向演化也是導致演化樹上特征分布復雜，噪音信息繁多的原因之壹；提出細絲狀皮膚衍生物在獸腳類恐龍中有廣泛分布的假說；首次報道了原始羽毛的形態，描述了原始羽毛的兩種分支形式，提出了原始羽毛演化的3個階段；首次報道了飛羽在鳥類以外的動物上存在，為建立羽毛的早期演化序列提供了關鍵性信息；首次報道了可能具有樹棲特性的獸腳類恐龍，提出了在向鳥類演化的過程中，獸腳類恐龍經歷了壹個生態轉化的假說；首次報道了具有初步飛行能力的獸腳類恐龍，提出恐龍可能經歷了壹個四翼階段，為鳥類飛行樹棲滑翔起源說提供了第壹份堅實的證據；發現了最原始的鐮刀龍類；報道了世界上最古老的角龍；發表了鐮刀龍超科的第壹個用定量方法恢復的分支樹；報道了世界上第壹個具有沒有爭議的植食性獸腳類恐龍；報道了世界上最小的甲龍標本。近年承擔了國家自然科學基金委員會、美國國家科學基金會和國家地理學會科研項目多項。發表學術論文40余篇（11篇發表於英國《自然》雜誌，SCI刊物引用率344次）。 2001年，獲國家傑出青年基金資助，並入選美國國家地理學會豐田計劃，成為全球11位入選科學家之壹。
2007年4月,徐星獲得中科院傑出青年稱號。