Atès que la majoria dels objectes celestes es troben massa lluny per viatjar-hi, hem de confiar en la radiació electromagnètica (llum) d'aquests objectes per estudiar-los. Les diferents longituds d'ona de l'espectre electromagnètic proporcionen informació sobre diversos mecanismes dels fenòmens astronòmics i sobre la naturalesa dels objectes celestes. En l'Astronomia moderna, l'estudi de l'Univers es realitza principalment utilitzant tot l'espectre electromagnètic: ràdio, microones, infrarojos, visibles, ultraviolats, raigs X i raigs gamma. Tot i que en la parla comuna la llum només es refereix a la llum visible, en Astronomia la llum es pot referir a tot l'espectre electromagnètic.

De mitjana, els objectes astronòmics no porten càrrega elèctrica neta. La manera principal en què aquests objectes interactuen a llargues distàncies és la força de la gravetat. La gravetat és el que fa que els planetes orbitin el Sol, les estrelles orbitin els centres de les galàxies i el plasma calent de les estrelles tingui forma esfèrica. La majoria de fenòmens astronòmics es poden descriure mitjançant la llei de la gravitació universal de Newton, però en les situacions més extremes, per obtenir-ne una descripció precisa es fa necessària la teoria general de la relativitat d'Einstein.

La teoria general de la relativitat va predir l'existència d'ones gravitacionals —ondulacions en l'espai-temps— a principis del segle XX. La primera detecció directa confirmada es va aconseguir el 2015, des d'aleshores, els científics les poden fer servir com una nova finestra per estudiar l'Univers. Les ones gravitacionals es generen per intenses interaccions gravitacionals, com la fusió de dos forats negres massius o estrelles de neutrons. Els astrònoms també detecten diversos tipus de partícules subatòmiques, com ara els neutrins, els electrons o els protons, per conèixer l'interior del Sol i alguns dels processos més energètics del Cosmos.

Els astrònoms creen models matemàtics dels objectes astronòmics, dels fenòmens associats i de la seva evolució. L'estructura d'aquests models és definida per les teories fonamentals de la física i de la química. Alguns models consisteixen en relacions matemàtiques elementals, els més complexos fan ús de simulacions numèriques. Les simulacions més sofisticades s'executen en alguns dels superordinadors més grans del món. Les dades aconseguides amb els telescopis i els detectors s'usen per verificar i perfeccionar els models. La interacció entre l'evidència observacional i els models teòrics és un aspecte important dels descobriments.

La recerca astronòmica professional combina coneixements de les matemàtiques, la física, la química, l'enginyeria, les ciències de la computació, així com d'altres camps. Aquesta visió àmplia s'ha demostrat essencial per revelar i modelar la naturalesa dels objectes i dels fenòmens astronòmics. Per exemple, per entendre les reaccions nuclears que tenen lloc dins de les estrelles, els científics necessiten la física nuclear; per detectar els elements resultants en les atmosferes de les estrelles, necessiten la química. L'enginyeria és essencial per a la fabricació de telescopis i detectors, i el desenvolupament de programari específic és fonamental per analitzar les dades que proporcionen aquests instruments.

Com que una bona descripció dels objectes i dels fenòmens astronòmics requereix un bon coneixement d'altres camps científics, l'Astronomia moderna es divideix habitualment en especialitats segons els principals temes abordats. Algunes d'aquestes especialitats comprenen: l'astrobiologia, la cosmologia, l'astronomia observacional, l'astroquímica i les ciències planetàries. Els astrònoms també poden triar una especialitat per estudiar un tipus d'objecte en particular, com ara les nanes blanques. Donat l'important paper que la física juga dins de l'Astronomia, els termes "astrofísica" i "astronomia" es fan servir indistintament.

La Lluna és l'objecte celeste més proper a la Terra, és a uns 384.400 quilòmetres. El Sol té un diàmetre d'uns 1,39 milions de quilòmetres, una massa d'uns 1989 mil bilions de bilions de quilograms, i és l'estrella més propera a la Terra a uns 150 milions de quilòmetres (la distància amb què es defineix la Unitat Astronòmica, au). L'estrella més propera al Sol és Proxima Centauri que és a uns 4,25 anys llum de distància. Un any llum és la distància que recorre la llum (en el buit) en un any, que és una mica més de 9 bilions de quilòmetres. La nostra galàxia té un diàmetre de 100.000-120.000 anys llum; les altres galàxies poden trobar-se a milers de milions d'anys llum de distància. Les unitats de mesura en Astronomia són molt més grans del que podem imaginar. Les escales del temps astronòmic són llargues; les edats de milions o milers de milions d'anys són habituals.

Estudiant l'espectre dels objectes astronòmics se'n poden revelar diverses característiques: la descomposició semblant a un arc iris de la seva llum en miríades de colors diferents, cadascun caracteritzat per la longitud d'ona de la llum. Analitzant la llum procedent d'aquests objectes, els astrònoms poden determinar-ne detalls com ara la composició elemental, la temperatura, la pressió, el camp magnètic, entre altres propietats.