天文學是認識宇宙、探索宇宙奧秘的科學，它屬於自然科學。天文學研究的對象是遼闊空間中的天體，通過接收天體的各種輻射，感知天體的存在，測量它們的質量、尺度、距離，研究它們的結構和演化規律,以達到對整個物質世界的認識。
根據天文學的研究方法和研究的內容，天文學可以分為天體測量學、天體力學和天體物理學三個分支。
天體測量學是天文學中最先發展起來的一個分支，也是應用最廣泛的一門學科，主要研究和測定各類天體在天球坐標係中的位置和運動，建立天球參考係並研究各種坐標係的相互關係等。
天體力學主要研究天體的相互作用、運動和形狀。自17世紀開始，開普勒提出了行星運動三定律，牛頓提出了萬有引力定律和運動三定律，這些理論為天體力學奠定了理論基礎，使天體力學的研究工作從運動學發展到動力學，因此，實事上可以說牛頓是天體力學的創始人。今天，科學家可以準確預報近期發生的日食、月食等天象，這與天體力學的發展有密切關係。
目前的天體力學研究還是主要集中在太陽係內的天體。大型計算機的誕生為天體力學研究開拓了更多的空間，因為根據牛頓定律，多體問題的求解是不可能的，但是大型計算機使得多體問題的數值計算成為可能。現在的天文學家可以利用大型計算機，基於天體力學方法編製精確的年曆。
天體物理學是天文學中最活躍、內容最豐富的分支學科。19世紀中葉，人們將物理學和化學的最新成果——光譜分析、光度測量和照相術用於天體觀測後，對天體的結構、化學組成和物理狀態的研究形成了完整的科學體係——天體物理學。
天體物理學對人類有重要的積極意義。直到今天，精確的時間和曆法仍然是按照太陽係和恒星的運動確定的。上海天文台和陝西天文台的主要工作就是測時：應用測時儀器觀測選定的恒星，獲得準確的時刻。守時：用守時工具，如天文鍾、原子鍾等，計量時間。授時：利用無線電波發布時間信號。大家熟知的北京時間就是由陝西天文台發布的。
由於天文學是人類認識宇宙的科學，因而它在人類自然觀的發展中起著特殊的作用。例如，托勒密地心體係是在一定的曆史條件下形成的人類對宇宙結構的認識模型。由於它與宗教把地球視為宇宙中心的觀點一致，因而在歐洲維持了1 400多年。隨著天文學的發展，地心體係越來越不能與觀測結果相符合。當時，一些具有進步思想的哲學家和天文學家對這個體係產生懷疑。哥白尼的日心體係就在這樣的曆史條件下誕生了。哥白尼主張以簡單的幾何圖形或數學關係來表達宇宙的規律，把統率整個宇宙的支配力量賦予太陽，而各個天體則都有其自然的運動。哥白尼日心體係的建立，是人類認識史上的一次大變革。為了傳播和維護哥白尼體係，意大利思想家布魯諾在1600年2月17日被宗教裁判所活活燒死在羅馬繁花廣場上；意大利著名物理學家伽利略也因為維護哥白尼學說，1633年遭到羅馬宗教裁判所的兩次審判。直到1846年，天文學家用望遠鏡在勒威耶和亞當斯應用天體力學推算的位置上，找到了太陽係的第八顆大行星——海王星，才有力地證實了日心體係的正確性，使哥白尼的日心說由假說變成了科學理論。
科學的發展常常有伴生現象，天文學的發展也與其他自然學科有著密切的聯係。天文學的發展從其他自然科學中吸取營養，它的重大發現也推動著其他學科的發展。在牛頓以後的200多年中，天體力學的發展曾給予應用數學有力的推動。而天體物理學則從其誕生之日起就對物理學做出了重大貢獻，如通過恒星光譜線發現了原子禁線理論的線索，對太陽內部結構的研究獲得了熱核聚變的概念等。最近幾十年，星際有機分子的發現，類星體、射電星係以及星係核活動等高能現象的發現，向化學、生物學、物理學提出了新課題，對現有理論提出新的挑戰。今天的天文學，不斷吸取並集中物理學、數學、化學等學科的理論和觀點，逐漸成為極富有生命力的多學科交叉點。
計算機和空間技術的發展為天文學研究開辟了新天地，使天文觀測研究由地麵發展到空間，由荒野搬到室內儀器儀表麵前；信息處理理論和新型電子器件為天文觀測研究提供了更為先進的手段，如利用電子耦合器件(CCD)同時對多個目標進行觀測、發現等，此類例子不勝枚舉。20世紀中期以來，天文觀測發現了許多地球上不可能存在的物質狀態和現象，如星際空間每立方厘米不到一個原子的高真空，中子星內部每立方厘米10億噸的高密度，某些恒星內部和恒星爆發時產生的超過100億攝氏度的高溫，以及星係和星係核拋射物質接近於光速甚至看起來超過光速的高速度等。這些發現交織著宏觀與微觀世界研究的前沿，可能正醞釀著人類認識自然的又一次新的突破。