天文学是认识宇宙、探索宇宙奥秘的科学，它属于自然科学。天文学研究的对象是辽阔空间中的天体，通过接收天体的各种辐射，感知天体的存在，测量它们的质量、尺度、距离，研究它们的结构和演化规律，以达到对整个物质世界的认识。
根据天文学的研究方法和研究的内容，天文学可以分为天体测量学、天体力学和天体物理学三个分支。
天体测量学是天文学中最先发展起来的一个分支，也是应用最广泛的一门学科，主要研究和测定各类天体在天球坐标系中的位置和运动，建立天球参考系并研究各种坐标系的相互关系等。
天体力学主要研究天体的相互作用、运动和形状。自17世纪开始，开普勒提出了行星运动三定律，牛顿提出了万有引力定律和运动三定律，这些理论为天体力学奠定了理论基础，使天体力学的研究工作从运动学发展到动力学，因此，实事上可以说牛顿是天体力学的创始人。今天，科学家可以准确预报近期发生的日食、月食等天象，这与天体力学的发展有密切关系。
目前的天体力学研究还是主要集中在太阳系内的天体。大型计算机的诞生为天体力学研究开拓了更多的空间，因为根据牛顿定律，多体问题的求解是不可能的，但是大型计算机使得多体问题的数值计算成为可能。现在的天文学家可以利用大型计算机，基于天体力学方法编制精确的年历。
天体物理学是天文学中最活跃、内容最丰富的分支学科。19世纪中叶，人们将物理学和化学的最新成果——光谱分析、光度测量和照相术用于天体观测后，对天体的结构、化学组成和物理状态的研究形成了完整的科学体系——天体物理学。
天体物理学对人类有重要的积极意义。直到今天，精确的时间和历法仍然是按照太阳系和恒星的运动确定的。上海天文台和陕西天文台的主要工作就是测时：应用测时仪器观测选定的恒星，获得准确的时刻。守时：用守时工具，如天文钟、原子钟等，计量时间。授时：利用无线电波发布时间信号。大家熟知的北京时间就是由陕西天文台发布的。
由于天文学是人类认识宇宙的科学，因而它在人类自然观的发展中起着特殊的作用。例如，托勒密地心体系是在一定的历史条件下形成的人类对宇宙结构的认识模型。由于它与宗教把地球视为宇宙中心的观点一致，因而在欧洲维持了1 400多年。随着天文学的发展，地心体系越来越不能与观测结果相符合。当时，一些具有进步思想的哲学家和天文学家对这个体系产生怀疑。哥白尼的日心体系就在这样的历史条件下诞生了。哥白尼主张以简单的几何图形或数学关系来表达宇宙的规律，把统率整个宇宙的支配力量赋予太阳，而各个天体则都有其自然的运动。哥白尼日心体系的建立，是人类认识史上的一次大变革。为了传播和维护哥白尼体系，意大利思想家布鲁诺在1600年2月17日被宗教裁判所活活烧死在罗马繁花广场上；意大利著名物理学家伽利略也因为维护哥白尼学说，1633年遭到罗马宗教裁判所的两次审判。直到1846年，天文学家用望远镜在勒威耶和亚当斯应用天体力学推算的位置上，找到了太阳系的第八颗大行星——海王星，才有力地证实了日心体系的正确性，使哥白尼的日心说由假说变成了科学理论。
科学的发展常常有伴生现象，天文学的发展也与其他自然学科有着密切的联系。天文学的发展从其他自然科学中吸取营养，它的重大发现也推动着其他学科的发展。在牛顿以后的200多年中，天体力学的发展曾给予应用数学有力的推动。而天体物理学则从其诞生之日起就对物理学做出了重大贡献，如通过恒星光谱线发现了原子禁线理论的线索，对太阳内部结构的研究获得了热核聚变的概念等。最近几十年，星际有机分子的发现，类星体、射电星系以及星系核活动等高能现象的发现，向化学、生物学、物理学提出了新课题，对现有理论提出新的挑战。今天的天文学，不断吸取并集中物理学、数学、化学等学科的理论和观点，逐渐成为极富有生命力的多学科交叉点。
计算机和空间技术的发展为天文学研究开辟了新天地，使天文观测研究由地面发展到空间，由荒野搬到室内仪器仪表面前；信息处理理论和新型电子器件为天文观测研究提供了更为先进的手段，如利用电子耦合器件(CCD)同时对多个目标进行观测、发现等，此类例子不胜枚举。20世纪中期以来，天文观测发现了许多地球上不可能存在的物质状态和现象，如星际空间每立方厘米不到一个原子的高真空，中子星内部每立方厘米10亿吨的高密度，某些恒星内部和恒星爆发时产生的超过100亿摄氏度的高温，以及星系和星系核抛射物质接近于光速甚至看起来超过光速的高速度等。这些发现交织着宏观与微观世界研究的前沿，可能正酝酿着人类认识自然的又一次新的突破。