20世纪的天文学，由于观测手段随着技术的发展变得更为先进，观测范围因技术上的一些进步而大大地扩大了。利用先进的射电望远镜，人类的视野已经扩展到了150亿光年的空间距离。现代物理学和现代技术的发展，使天体物理学成为天文学的主流，经典的天体力学和天体测量学也有新的发展，人们对宇宙的认识达到了空前的深度和广度。而原子物理学理论启发了人们用核反应来解释星体发出辐射时的温度和辐射速度。天文学进入了全波时代。
19世纪中叶诞生的天体物理学（Astrophysics），一跃而成为天文学的主流；20世纪40年代后期打开了射电天窗，兴起了一门利用波长从毫米到米的电磁辐射研究天体的新学科；60年代，航天时代的到来，使天文学冲破了地球大气的禁锢，到大气外去探测宇宙；天文学开始成为全波段的宇宙科学，使我们得以考察大到150亿光年空间深度的天象，并追溯早于150亿年前的宇宙事件。
20世纪天文学进入了黄金时代，正在为阐明地球、太阳和太阳系的来龙去脉、星系的起源和星系的演化、宇宙的过去和未来、地外生命和地外文明等重大课题作出贡献。
在20世纪上半叶已经成熟的经典分析方法仍在继续发展。较重要的成果有布朗的月球运动理论和1919年罗斯改进的火星运动理论。除分析方法外，20世纪初还出现一条新的发展途径，这就是庞加莱提出的天体力学定性理论，其中包括变换理论、特征指数理论、周期解理论和稳定性理论，对以后的天体力学发展有较大的影响。19世纪纽康证实水星近日点进动问题中有超差。这个问题用经典力学再也无法解释。直到1915年爱因斯坦建立了广义相对论后才得到解释。
20世纪50年代以后出现了两个新的因素。一是人造卫星和空间探测器的发射，向天体力学提出了新课题，由此并发展成一个新的学科分支——天文动力学，专门研究这些飞行器的运动问题。二是电子计算机的出现，使计算的速度和精度有极大地提高，从而使需要繁重计算工作的天体力学数值方法得到迅速发展。此外，60年代建立的卡姆（KAM）理论，是对定性理论的重大发展。70年代，三体问题的拓扑学研究又成为一个活跃的领域。
20世纪以来，天体测量学有了飞跃的发展。国际时间局、国际纬度服务、国际极移服务等国际机构的工作，定出全世界统一的时间服务和极移服务的标准。天文时计也由摆钟发展为石英钟和原子钟。这些技术上的发展使天体测量的精度大为提高。随着观测精度的提高，人们发现了地球自转的不均匀性，并由此出现了从世界时到历书时，更进到原子时这样的时间计量系统。同时还深入研究了地极的周年摆动、张德勒摆动和长期极移。
一个世纪以来，随着镜面材料、精密机械和自动控制的进展，极大地改善和增强了天文学家的望远能力。19世纪末，还只有美国利克天文台一架0.9米反射望远镜，到1978年，口径2？6米的大型反射望远镜已有23架，另有13架正在建造。施密特1931年发明的折反射望远镜，一直是探索银河系和河外深空的有效工具。在19世纪末，照相底片是人眼以外唯一有效的辐射接收器。20世纪初开始光电光度技术的实验。第二次世界大战后出现多种高效能的光电转换装置，探测到以往用同样聚光设备不可能记录到的微弱辐射，同时提高了观测和处理天文底片的自动化程度。
约翰逊、摩根、斯特龙根、斯特鲁维等都为实测天体物理作出创造性的贡献。1910年，德国的威尔逊等测定了恒星温度，进而算出恒星的直径。另一方面，理论天体物理研究有了新的发展。爱丁顿、米尔恩、佩恩—加波希金、昌德拉塞卡、史瓦西等人运用理论天体物理方法，卓有成效地探讨了恒星大气理论、恒星和行星的内部结构、星际物质的特性和状态、恒星的能源和演化。目前，人们正在用这种方法去解星系世界的过程和演变之谜。
太阳是一个典型的恒星。我们对恒星的大气、内核和能源的知识，很多来自太阳。19世纪最后十年，美国海耳和法国德朗达尔分别发明太阳单色光照相仪和太阳谱线速度仪，从而开始了现代太阳研究的新时期。他们通过单色光观察太阳的光球和色球，发现了钙云（谱斑）。在海耳的倡议下，卡内基研究所于20世纪初筹建了威尔逊山天文台，安装了太阳塔和分光设备，广泛地巡视太阳，发现了黑子的磁性和22年的磁周期。巴布科克父子继承海耳的太阳研究传统，于20世纪50年代初，研制出太阳光电磁像仪，进一步推动太阳活动规律和活动区物理的探讨。1931年法国李奥制成日冕仪，使人们在不发生日食的时候也能观察日冕，探索太阳高层大气。1962年—1975年间发射了8个环绕地球的轨道太阳观测台，1973年天空实验室进入轨道，都为深入认识太阳活动和日地关系提供了空前丰富的资料。半个多世纪以来，对太阳系天体的地面光学观测和研究工作取得显著成就。1930年，汤博发现冥王星。在已确认的34颗行星卫星中，有12颗是20世纪探索到的。1978年以来又发现某些小行星也有卫星。空间天文时代的到来，使太阳系天体的探索从观测科学转变为考察和实验科学，飞临考察和就地实测都取得划时代的成就。1969年—1972年，12人登上了月球；1974年—1975年就近观察了水星，揭示了水星满布环形山的面貌；1975年以来，空间探测器多次穿越金星的浓密大气，在下降航程中，完成多项实测；1976年，无人实验室在火星表面两处着陆，就地考察；1972年—1977年发射的4架探测太阳系外围空间的探测器，都已先后飞掠木星，发现了木星的几颗新卫星（尚待确认）和木星的光环。
19世纪末，哈佛大学天文台在皮克林和坎农的领导下，着手恒星分类。1890年—1936年，陆续出版载有272150颗恒星光谱一元分类的《亨利·德雷伯星表》及其补编，为建立恒星表面温度序列奠定了基础。1905年，赫茨普龙根据光谱特征，确认恒星有巨星和矮星之分。20世纪头十年，他在1905—1907年和罗素在1913年分别绘制银河星团的星等—色指数图，和已知距离的恒星的绝对星等—光谱型图，从中发现恒星分布的规律：绝大多数恒星处在所谓的主星序上，而巨星和白矮星则分别弥漫在主星序之上的巨星分支中和主星序的左下角。罗素还提出恒星在图上的演化走向，后人把恒星的光谱光度图称为赫罗图。1937年柯伊伯首先发现，一些银河星团在赫罗图上的位置差异可以用年龄不同加以解释，这说明赫罗图是探讨恒星演化的有效工具。1938年贝特指出，主序星的能源是氢变氦的热核反应，成功地阐明了恒星的产能机制，为理解太阳型恒星百亿年的演化程奠定了基础。博克等人的光学观测，以及60年代以来贝克林、斯特罗姆等人的红外观测，都表明恒星起源于星际暗云，因吸积、收缩而成原恒星（或称星胚或星胎）。人类对恒星的形成和演化的认识和晚期演化等等。人类对恒星的形成和演化的认识和理解，是20世纪天文学的一项重大成就。20世纪初，卡普坦通过恒星计数和光度函数的统计研究，建立了以太阳系居中的、直径长40000光年的银河系模型。1918年，沙普利对太阳系为银河系中心的传统观念提出挑战，他分析了当时已知的球状星团的视分布，并根据造父变星的周光关系估算它们的距离，从而得出银河系是直径300000光年。1926年，林德布拉德指出，恒星运动的不对称效应是银河系自转的反映。随后，银河系的较差自转为奥尔特所证实，并求出太阳以每秒250公里的速度，沿圆轨道绕银心运动，估计2.5亿年公转一周。他还估算出银河系的质量。
根据河外星系的启示，人们推测银河系也有旋涡结构。50年代初，摩根的高光度星空间分布研究和奥尔特等人的中性氢21厘米谱线射电分析，都确切地描绘出银河系旋涡结构和旋臂。60年代，林家翘比较成功地用密度波理论解释了旋涡结构及其维持机制。1912年，勒维特观测小麦哲伦云的造父变星，发现周光关系，从而推测小麦哲伦云的距离可能十分遥远，也许在银河系之外。1924年底，哈勃（美国天文学家，1889—1953）宣布他利用造父变星的周光关系，计算出仙女星系、人马不规则星系的距离，指出它们是银河系以外的恒星系统。从那时起，诞生了星系天文学。古老的宇宙岛观念被证明是客观现实；在银河系之外“天外有天”的大宇宙概念的建立，是20世纪天文学的又一重大成的大宇宙概念的建立，是20世纪天文学的又一重大成就。1929年，哈勃发现河外星系的谱线红移量和星系距离成正比关系。假若承认红移是天体退行运动的多普勒效应，那么红移—距离关系意味着星系普遍退行，而它们所处的空间整体在膨胀。宇宙膨胀正是相对论宇宙学所预期的结果之一。
1956年，哈马逊把红移—距离的线性关系扩展到红移0.20，即退行速度达到光速的1/5.1977年，桑德奇更延伸到0.75，即退行速度为光速之半。按此而求出的距离已超过50亿光年。这就是我们生活于一个不断运动并演化着的宇宙中的观测依据。70年代以来，探索远达百亿光年以上的宇宙深空已成为现代天文学的主要课题。虽然早在30年代初，央斯基等人就发现了来自地球以外的宇宙无线电波，但通过光学波段以外的天窗，用无线电方法接收并研究天体的射电波，则是40年代后期的事。那时，海伊、博尔顿、赖尔等人相继探测射电天空，从而建立了射电天文学。地球大气能透过某些波长的红外辐射早已为人们所知。60年代制成了制冷的红外灵敏器件，红外手段终于成为探测星空的武器。几十年来，约翰逊、诺伊吉保尔、沃尔克等人的地面和空间观测，表明红外手段在探测行星、冷星、尘埃中的恒星、银河系暗星云、类星体和其他特殊星系的本原方面有极大潜力。