由於大多數天體離我們太遠，無法進行實地考察，我們必須依靠這些天體的電磁輻射（光）來研究它們。電磁波的不同波長提供了各種天文學機制和天體特徵的信息。在現代天文學中，我們使用整個電磁光譜來研究宇宙：無線電，微波，紅外線，可見光，紫外線，X射線和伽馬射線。儘管在一般情況下，“光”這個字僅指可見光，但在天文學中，光指所有電磁輻射。

平均而言，天體不帶淨電荷。這些物體在長距離上相互作用的主要方式是引力。引力使行星繞太陽運行，使恆星繞星系中心運動，並使恆星熾熱的等離子保持球形。大多數天文現像都用牛頓的萬有引力定律來描述，但是在最極端的情況下，需要愛因斯坦的廣義相對論來提供準確的描述。

引力波——時空的漣漪——是20世紀初期根據廣義相對論預測的。2015年首次實現了引力波的直接探測，科學家們現在可以將它們用作研究宇宙的新窗口。引力波是由強大的引力相互作用產生的，例如兩個大質量黑洞或中子星的合併。天文學家還探測到了各種亞原子粒子，例如中微子，電子或質子，以了解我們的太陽內部以及宇宙中一些最活躍的過程。

天文學家為天體及其相關現象和演化建立了數學模型。這些模型的框架由物理和化學的基本理論搭建而成。一些模型包含了基本的數學關係，而更複雜的模型利用到了數值模擬。最複雜的模擬在世界上一些最大的超級計算機上運行。來自望遠鏡和探測器的觀測數據可被用於測試和完善模型。觀測證據與模型之間的相互論證是探索發現的重要方面。

專業的天文研究結合了數學，物理學，化學，工程學，計算機科學以及其他領域的知識。事實證明，這種廣闊的視野對於揭示和模擬天文物體和現象的本質至關重要。例如，要了解恆星內部發生的核反應，科學家需要核物理學；為了檢測恆星大氣中的元素，需要化學；工程技術對望遠鏡和探測器的製造至關重要；軟件的定制開發對於分析這些儀器提供的數據不可或缺。

由於對天文物體和現象的準確描述建立在其他科學領域的基礎之上，現代天文學通常根據其所涉及的主題按專業劃分。包括：天體生物學，宇宙學，觀測天文學，天體化學和行星科學。天文學家還可以選擇僅研究某個特殊物體，例如白矮星。考慮到物理學在天文學中的重要作用，“天體物理學”和“天文學”這兩個術語可以互換使用。

月球是距離地球最近的天體，距離約384,400千米。我們的太陽直徑為139萬千米，質量約為（1989thousandtrilliontrillion=198。9萬億億億？）198.9萬億億億千克，是距地球最近的恆星，距離約為1.5億千米（這就是天文單位au的定義）。最接近太陽的恆星是半人馬座比鄰星ProximaCentauri，它離我們約4.25光年。一光年是光在真空中傳播一年的距離，超過9萬億公里。我們星系的直徑為100,000-120,000光年，而其他星係與我們的距離可能達到數十億光年。天文學的單位比我們想像的要大得多。天文學的時間尺度很長，幾百萬或數十億年的年齡是典型的。

天體的某些特徵只能通過它們的光譜來研究-它們的光像彩虹一樣被分解成無數種不同的顏色，每種顏色都代表著光的一種波長。通過分析從這些物體收集的光，天文學家可以確定其元素組成，溫度，壓力，磁場，以及其他細節特徵。