天文
物理学是研究
宇宙的物理学，这包括
星体的物理性质（
光度，
密度，
温度，
化学成分等等）和星体与星体彼此之间的相互作用。应用物理理论与方法，天文物理学探讨
恒星结构、
恒星演化、
太阳系的起源和许多跟
宇宙学相关的
问题。
天文物理实验数据大多数是依赖观测电磁辐射获得。比较寒冷的星体，像
星际物质或
星际云会发射
无线电波。
大爆炸后，经过
红移，遗留下来的
微波，称为
宇宙微波背景辐射。研究这些微波需要用到非常大的无线电望远镜。
太空探索大大地扩展了天文学的疆界。由于地球大气层的干扰，
红外线、紫外线、
伽马射线和
X射线天文学必须使用
人造卫星在地球大气层外做观测实验。
光学天文学通常使用加装
电荷耦合元件和
光谱仪的望远镜来做观测。由于大气层会干涉观测数据的品质，还必须配备调适光学系统，或改用
太空望远镜，才能得到最优良的影像。在这频域里，恒星的可见度非常高。借着观测化学频谱，可以分析
恒星、星系和星云的化学成份。
理论天文物理学家的工具包括
分析模型和
计算机模拟。天文过程的分析模型时常能使学者更深刻地理解内中奥妙；计算机模拟可以显示出一些非常复杂的现象或效应。
大爆炸模型的两个理论栋梁是广义相对论和
宇宙学原理。由于
太初核合成理论的成功和宇宙微波背景辐射实验证实，科学家确定大爆炸模型正确无误。最近，学者又创立了ΛCDM模型来解释宇宙的演化，这模型涵盖了
宇宙膨胀（cosmic inflation）、暗能量、
暗物质等等概念。