Ba cô gái từ những miền quê khác nhau đến với con đường Trường Sơn, tại một vùng trọng điểm ác liệt và ở họ đều hình thành những phẩm chất chung của người chiến sĩ thanh niên xung phong: Tinh thần trách nhiệm cao đối với nhiệm vụ, lòng dũng cảm không sợ hy sinh, tình đồng đội gắn bó. Ở họ còn có những nét chung của các cô gái trẻ: dễ xúc cảm, nhiều mơ ước, hay mơ mộng, dễ vui mà cũng dễ trầm tư. Họ cũng thích làm đẹp cho cuộc sống của mình, ngay cả trong hoàn cảnh chiến trường (Nho thích thêu thùa, chị Thao chăm chép bài hát, Định thích ngắm mình trong gương, ngồi bó gối mơ mộng và hát). Trong ba người thì Nho và Phương Định trẻ hơn nên cũng hồn nhiên và giàu mơ mộng, còn chị Thao lớn tuổi hơn nên những mơ ước và dự định về tương lai cũng thiết thực hơn. Người tổ trưởng ấy chiến đấu rất dũng cảm, chỉ huy rất kiên cường nhưng lại rất sợ khi phải nhìn thấy máu và còn sợ cả vắt nữa. Phương Định là nhân vật kể chuyện, đồng thời cũng là nhân vật trung tâm của truyện. Ở nơi trọng điểm ác liệt, hàng ngày giáp mặt với hiểm nguy và cái chết, chiến đấu dũng cảm, nhưng ở cô vẫn không mất đi sự hồn nhiên, nhạy cảm, tâm hồn trong sáng và nhiều mơ mộng. Cũng như các cô gái mới lớn, Phương Định nhạy cảm và quan tâm đến hình thức của mình. Cô tự đánh giá: Tôi là con gái Hà Nội. Nói một cách khiêm tốn, tôi là một cô gái khá, hai bím tóc dày tương đối mềm, một cái cổ cao, kiêu hãnh như đài hoa loa kèn. Còn mắt tôi thì các anh lái xe bảo: "Cô có cái nhìn sao mà xa xăm!". Cô biết mình được nhiều người, nhất là các anh lính để ý và có thiện cảm. Điều đó làm cô thấy vui và cả tự hào, nhưng chưa dành riêng tình cảm cho một ai. Nhạy cảm, nhưng cô lại không hay biểu lộ tình cảm của mình, tỏ ra kín đáo giữa đám đông, tưởng như là kiêu kỳ. Phương Định là cô gái hồn nhiên, hay mơ mộng và thích hát (Tôi mê hát. Thường cứ thuộc một điệu nhạc nào đó rồi bịa ra lời mà hát. Lời tôi bịa lộn xộn mà ngớ ngẩn đến tôi cũng ngạc nhiên, đôi khi bò ra mà cười một mình, Tôi thích nhiều bài. Những bài hành khúc bộ đội hay hát trên những ngả đường mặt trận. Tôi thích dân ca quan họ mềm mại, dịu dàng. Thích Ca-chiu-sa của Hồng quân Liên Xô. Thích ngồi bó gối mơ màng). Phương Định là con gái Hà Nội vào chiến trường. Cô có một thời học sinh hồn nhiên, vô tư bên người mẹ, một căn buồng nhỏ ở một đường phố yên tĩnh trong những ngày thanh bình trước chiến tranh ở thành phố của mình. Những kỷ niệm ấy luôn sống lại trong cô ngay giữa chiến trường dữ dội. Nó vừa là niềm khao khát, vừa làm dịu mát tâm hồn trong hoàn cảnh căng thẳng, khốc liệt của chiến trường. (Để đỡ dài, văn bản truyện đưa vào sách giáo khoa đã lược đi nhiều đoạn hồi tưởng của nhân vật). Tâm lý nhân vật Phương Định được bộc lộ qua những lời kể, lời tự bạch một cách tự nhiên như lời trò chuyện với bạn đọc - một kiểu độc thoại nội tâm đơn giản. Đây là cảm giác của một người chạy trên cao điểm giữa ban ngày và giữa những loạt bom của máy bay địch. Có ở đâu như thế này không: đất bốc khói, không khí bàng hoàng, máy bay đang ầm ì xa dần. Thần kinh căng như chão, tim đập bất chấp cả nhịp điệu, chân chạy mà vẫn biết rằng khắp chung quanh có nhiều quả bom chưa nổ. Có thể nổ bây giờ, có thể chốc nữa. Nhưng nhất định sẽ nổ... Rồi khi xong việc, quay lại nhìn cảnh đoạn đường một lần nữa, thở phào, chạy về hang. Tâm lý nhân vật Phương Định trong một lần phá bom đã được miêu tả rất cụ thể, tinh tế đến từng cảm giác, ý nghĩ dù chỉ thoáng qua trong giây lát. Mặc dù đã rất quen công việc nguy hiểm này, thậm chí một ngày có thể phải phá tới năm quả bom, nhưng mỗi lần vẫn là một thử thách với thần kinh cho đến từng cảm giác. Từ khung cảnh và không khí chứa đầy sự căng thẳng đến cảm giác là các anh cao xạ ở trên kia đang dõi theo từng động tác, cử chỉ của mình, để rồi lòng dũng cảm ở cô như được kích thích bởi sự tự trọng: Tôi đến gần quả bom. Cảm thấy có ánh mắt các chiến sĩ dõi theo mình, tôi không sợ nữa. Tôi sẽ không đi khom. Các anh ấy không thích kiểu đi khom khi có thể cứ đàng hoàng mà bước đi. Ở bên quả bom, kề sát với cái chết im lìm và bất ngờ, từng cảm giác của con người như cũng trở nên sắc nhọn hơn: Thỉnh thoảng lưỡi xẻng chạm vào quả bom. Một tiếng động sắc đến gai người cứa vào da thịt tôi. Tôi rùng mình và bỗng thấy tại sao mình làm quá chậm. Nhanh lên một tí! Vỏ quả bom nóng. Một dấu hiệu chẳng lành. Tiếp đó là cảm giác căng thẳng chờ đợi tiếng nổ của quả bom. Đoạn kết truyện cũng là một sáng tạo rất thành công của tác giả. Sau một trận chiến đấu của ba cô gái để phá bốn quả bom giữa vùng trọng điểm, căng thẳng, hồi hộp và cả sự lo lắng khi Nho bị sập hầm, bị thương, thì bất chợt một cơn mưa kéo đến, mà lại là một trận mưa đá. Cơn mưa ấy làm dịu cả bầu không khí ngột ngạt ở bên ngoài hang và cũng làm dịu mát tâm hồn ba côn gái sau những căng thẳng của một trận chiến đấu, nó đánh thức dậy sự hồn nhiên, vô tư của tuổi trẻ và gợi về những kỷ niệm tuổi thơ với những trận mưa nơi thành phố quê hương. Đến đây thì người đọc đã cảm nhận được trọn vẹn vẻ đẹp của Những ngôi sao xa xôi - vẻ đẹp của chủ nghĩa anh hùng và tâm hồn trong sáng của những cô gái thanh niên xung phong ở nơi trọng điểm ác liệt trên đường Trường Sơn, cũng là tiêu biểu cho vẻ đẹp của cả thế hệ trẻ trong cuộc kháng chiến chống Mỹ. Những ngôi sao lấp lánh một thứ ánh sáng không rực rỡ mà sáng trong, tưởng như xa mà lại rất gần. Trong văn học thời kỳ này, người ta đã dùng nhiều hình ảnh biểu tượng để thể hiện vẻ đẹp giản dị mà giàu chất lãng mạn của những nhân vật như thế: Mảnh trăng cuối rừng trong truyện ngắn cùng tên của Nguyễn Minh Châu, ráng đỏ trong truyện của Đỗ Chu, khoảng trời trong thơ Lâm Thị Mỹ Dạ. Truyện Những ngôi sao xa xôi của Lê Minh Khuê đã được đưa vào tuyển tập Nghệ thuật truyện ngắn thế giới xuất bản ở Mỹ. Đó là một sự ghi nhận về thành công nghệ thuật của tác phẩm này.