天文学重点研究天体的组成、分布、运动、结构和演化。翻开人类文明史的第一页，天文学就占有显著的地位。巴比伦的泥碑、埃及的金字塔、中国的甲骨文等都是历史的见证。几千年来，在人类社会文明的进程中，天文学的研究范畴和天文学的概念都有很大的发展。本条不准备、也不可能概括天文学悠久的历史和丰富的内容（这是天文学所有条目的任务），而只是对它的特征、现状和趋向作一个概括性的描述。
天文学是一门既古老又充满活力的学科。它的主要研究对象是辽阔空间中的天体。几千年来，人们通过接收天体发出的辐射发现它们的存在，测量它们的位置，研究它们的结构，探索它们的运动和演化的规律，逐步扩展对广阔宇宙空间中物质世界的认识。
作为一颗行星，地球本身也是一个天体。但从学科的分野来说，“天”和“地”是相对独立的。地面上实验室里所采用的科学实验方法很多不能搬到天文学领域。从这个意义上来说，天文学的实验方法是一种“被动”的方法。即是说，在绝大部分情形下，只能靠观测（“观察”和“测量”）自然界业已发生的现象来收集感性认识的素材，而不能像其他许多学科那样“主动”地设计自己的实验。因此，观测是天文学实验方法的基本特点，不断地创造和改进观测方法与手段也就成为天文学家的一个致力不懈的课题。宇宙中的天体何止“恒河沙数”，而愈远的天体愈显暗弱。因此，观测设备的性能愈益提高，观测暗弱目标的能力就愈益增强，观测视野就愈益深入到前所未能企及的领域，同时也就愈益扩展到遥远的空间深处。另一方面，浩瀚的宇宙空间时时刻刻都在上演着地面上很难进行或重复进行的各种天体物理实验，它们在规模、内容和条件上是地面实验无法比拟的，这保证了天文工作者的被动观测得以长期地进行。
天文学和其他学科一样，在其发展中并不是孤立地前进，而是随时都同许多邻近学科互相借鉴，互相渗透的。它从应用光学、电子学以及各种工程技术中汲取养料、创造独特的观测手段，而天文观测手段的每一次发展又会促进应用科学的进步。天文学借助数学来分析天文观测结果和进行理论演算；反过来，由于天文学上的应用而发展起来的数学方法又丰富了数学的内容。物理学各个分支以及力学、化学等的研究成果是天文工作的理论基础，而天文学的各种发现以及天体的理论研究又多次为物理学和其他有关学科开辟新的研究前沿。天文学与其他学科之间的交叉融合还催生了新的学科分支，如天体生物学等。
天文学的发展对于人类的自然观产生重大的影响。N.哥白尼的日心学说（见日心说）将自然科学从神学中解放出来。I.康德和P.-S.拉普拉斯关于太阳系起源的星云学说在18世纪形而上学的自然观上打开了第一个缺口。对系外行星和地外生命的探索和研究有助于理解生命的起源和演化，树立人类命运共同体的意识。因此，天文学的成就是自然科学和人类文明的重要组成部分。
天文学研究中的一个重大课题是各类天体的起源和演化。在所观测到的天体中，百万年的年龄算是很年轻的。太阳的年龄约为46亿年，是一个中年的恒星。但人类的文明史不过几千年，而天文学家毕其一生也不过百岁，因此所能研究的天文现象在天体的演化史中只相当于一刹那的过程。从“一刹那”的观测来探究极长时间的演变，这是天文学研究的又一个特点。
天文学家虽然无法进行长达百万甚至亿年的观测，但可观测到海量的天体。一个天体的物理特征除了反映它的基本结构与成分以外，还反映它所处的演化阶段。此外，天体的信息主要是通过辐射（比如光）传给观测者的。由于光速有限，遥远天体发出的光在旅途中要经历漫长的时间。例如，对于离观测者一亿光年的天体，它的光要花一亿年才能到达观测者的身边，而观测者看到的则是它一亿年前的形象。这样所观测到的许多不同距离的天体展示的是时间上各不相同的“样本”。特别是对于河外星系，代表的是从百万年直到上百亿年前的各种“样本”，包含着上百亿年的演化线索。因此，通过统计分类和理论探讨就可建立起天体演化的模型。
由此可见，天文学在极其“短暂”的千百年时间里，以基本上“被动”的观测方法，面向广阔无边的宇宙空间，探索各类天体在漫长时间历程中的存在和演变。它不断借鉴同代科学技术的精华，充实自己的实验手段和理论知识，同时也不断地以自己的成就推动相关科学与技术的发展。正是这样，天文学循着观测—理论—观测的发展途径，把人的视野逐步拓展到宇宙的新的深处。
现在我们环顾一下人类所认识的天体世界。
太阳是太阳系的中心天体，占有太阳系总质量的99.86%。太阳系的其他成员包括行星及其卫星、矮行星、小行星、彗星、流星体和尘埃、气体等行星际物质。
地球是已知的唯一一个有生物存在和繁衍的行星。但作为行星，地球只是太阳系的一个普通成员。它的平均半径约6371千米，与太阳相距约1.5亿千米，每年绕太阳公转一周。它的物理结构和化学组成虽然有自己的特点，但相比于其他行星并不特殊。包括地球在内，太阳系有八颗行星，从离太阳最近的算起，依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星（根据国际天文学联合会2006年的决议，冥王星被降级为矮行星）。它们都沿着同一方向自西向东绕着太阳转动，轨道都是近圆的，大致在同一平面上。冥王星属于太阳系外围的柯伊伯带天体，轨道半长轴约59亿千米，但太阳系的疆界可能还要遥远得多。
除了水星和金星，太阳系的行星周围都有卫星。截至2022年，已知的卫星大约有210颗。地球有一个卫星——月球，直径约3480千米，在太阳系里算是一个大型卫星。
小行星是太阳系里较小的天体，截至2022年已知的小行星有110多万颗，它们大部分分布在火星和木星的轨道之间的主带中。主带小行星运动受到木星的强烈影响，表现出复杂的共振特性。根据国际天文学联合会2006年的决议，原本属于小行星的少数几个天体被重新归类为矮行星，其中就包括位于小行星主带区域的谷神星，它的平均半径大约476千米。
彗星也是太阳系中质量较小的天体。绝大多数彗星沿着偏心率很大的椭圆轨道绕日运行。它靠近太阳时显得十分明亮，而且拖着一条扫帚形的尾巴。
流星体是行星际空间中运动的彗星或小行星的固体碎片，大小从0.03毫米到1米不等。流星体或比它们稍大的小行星进入地球大气层时，由于速度很高，同地球大气的分子碰撞而发热、发光，形成明亮的光迹，划过长空，称为流星。绝大部分流星体在进入地球大气时化为气体，一些相对比较大的流星体或小行星在大气中没有耗尽，落到地面上便是陨石。
太阳是地球上光和热的最主要源泉。从天文学的观点来看，它还作为离地球最近的一颗恒星而占有特殊的地位。它在各类恒星中光度不算高也不算低，体积不算大也不算小。它的质量约为1.989×1030千克，半径约为6.963×105千米。太阳的中心处在很高的压力下，温度约达1.6×107K。那里的高温高压条件导致热核聚变反应发生，每秒辐射的能量达到3.83×1026焦耳。在太阳核心区产生的能量需要辗转经历千万年才能传到太阳表面，然后辐射到周围的空间中去。太阳大约由71%的氢、27%的氦和2%的其他元素组成，表面温度约6000K。太阳周围包裹着太阳大气，从内到外分别是光球层、色球层、过渡区和日冕，日冕含有温度高达100万～200万开的等离子体。太阳外层大气以及太阳磁场延伸到极其广阔的太阳系空间。太阳通过太阳风不断向外流失物质，是行星际物质的重要来源。
日面上经常出现以黑子和磁场为标志的太阳活动，它是宇宙电动力学现象的一个重要表现。这种活动趋于剧烈时便发生耀斑爆发事件，表现为多波段辐射强度的突增和粒子加速与抛射。这是天文中极为重要、极其复杂的能量聚集、存储、引发和释放过程的一个特写，尽管在恒星世界中这还属于一种较小规模的活动。
当代的天体物理学已经能够较清楚地描绘出太阳（以及绝大部分恒星）的起源和演化的历程。大约在46亿年前，太阳的前身——银河系里的一团气体尘埃云由于引力收缩聚集成为发光的“星前”天体，进而形成了太阳系的雏形。星前天体在继续收缩中核心部分愈来愈热，当温度升至700万开时便产生热核聚变反应，也就是由四个氢原子核聚变为一个氦原子核的“氢燃烧”过程。氢燃烧释放巨大的能量，由此产生的辐射压力和气体压力一起抵挡住太阳进一步的引力收缩，这时太阳便进入了较为稳定的平衡状态，即主序星。
太阳核心区所含有的氢估计足够燃烧100亿年。太阳现在正处在中年。到了氢燃烧末期，太阳的核心部分主要是聚变的产物——氦，外壳部分则仍以氢为主。由氦构成的核由于受引力作用，愈缩愈密，氢包壳则在继续燃烧中膨胀，太阳于是变成表面温度较低而体积很大的红巨星（见赫罗图）。红巨星的氦核继续收缩，直到中心温度达到一亿开时开始“氦燃烧”，也就是氦聚变成碳的过程。到了氦燃烧末期，由碳构成的核不断收缩，而其外壳很快膨胀成为与核脱离的行星状星云，而碳核在太阳初始质量的条件下不足以产生“燃烧”，就继续收缩，直到形成密度非常高的白矮星。
银河系中估计有1000亿颗以上的恒星，主要分布在尺度约10万光年的空间范围里。恒星的化学组成大同小异（虽然这个小异绝不是无关紧要的），质量的差别也不是很大：恒星最小的质量大约为太阳的百分之几，最大的大约是太阳的200倍。不同质量的恒星在各个演化阶段中呈现不同的颜色和光度。不同恒星的光度相差很大，如超巨星光度可达太阳的几百万倍，而白矮星的光度则可以低到太阳的千分之一到万分之一。恒星的大小悬殊。尽管处在氢燃烧阶段的各类恒星半径相差几十倍，但在演化的某些阶段上则不然，如包壳膨胀时形成的超巨星半径可达太阳的几百到几千倍，而演化末期产物之一中子星，其内部密度可达水的百万亿倍，直径只有太阳的几万分之一。
许多恒星的光度发生引人注目的变化，其光变可以是周期性的、半规则的和无规则的。对周期性变星，光变周期从一小时到上千天不等。另有一些恒星的光度变化是突发性的，其中变化最剧烈的是新星和超新星。新星由吸积白矮星表面的失控热核反应引起，光度可突增几万至几百万倍；产生核坍缩超新星的原因是恒星处在演化过程的某个转折点上，内部严重失去平衡，导致星体剧烈爆炸，把星体大质量都抛射出去，这时的光度变化可达千万倍至上亿倍。
尽管恒星的性质千差万别，但它们的演化几乎都可用热核聚变为主的理论来解释。事实上，对于一颗孤立的恒星，只要确定它的初始质量和化学组成，就可推断出这颗恒星从诞生到死亡每一个阶段的物理特性。上面所说的形形色色的恒星，都可认为是具有某个初始质量的恒星演化到某一特定阶段的表现。恒星结构和演化理论的建立，无疑是20世纪天文学的一个重大成就。尽管这个理论并非无懈可击，但它为理解恒星的基本性质奠定了坚实的基础。而由此引申出来的一些结果，如化学元素的起源学说，以及包括黑洞在内的超密态天体的预测等，除了具有天文学上的意义外，对现代物理学的影响也是深远的（见恒星的形成和演化）。
恒星在空间中常常不是孤栖独处的。估计银河系中由两颗星组成的双星可能占全部恒星的一半。还有三五颗星聚在一起的，组成聚星。也有几十、几百乃至几百万个聚在一起的，形成星团。所有恒星都沉浸在星际物质的海洋中。星际物质包括星际气体和尘埃，平均密度约为每立方厘米一个原子。星际物质高度密集的地方形成星云。星云是构成恒星的原料，而恒星向空间抛射的物质也成为星云的一部分原料。
夏夜仰望天空，可以看到横贯天空的银河。从望远镜里看去，银河实际上是由千千万万颗恒星组成的。这个庞大的恒星集团称为银河系。在银河系里，大部分恒星集中在一个盘状的空间范围内。肉眼看到的银河正是这个“盘状银河系”的一部分投影。银河系里除了恒星，还有各种类型的星云、星际气体与尘埃以及磁场。
银河系的盘状部分称为银盘，直径约10万光年，中心厚约10000光年。除了银盘，还有一部分恒星稀疏地分布在一个更大的、球对称的空间范围内，形成所谓的银晕。银河系中心（见银心）在人马座方向，那里有一个质量约为400万倍太阳质量的黑洞。整个银盘在绕银河系中心转动着，离开中心的距离不同，转动速度也不同。太阳带着太阳系的其他天体，以大约每秒250千米的速度绕银河系中心转动，转一周约需2亿年。银盘的转动方式表明银河系的绝大部分质量来自暗物质。
银河系以外还有许许多多同银河系规模相当的庞大天体系统，它们曾被形象地称为宇宙岛，一般称为河外星系，简称星系。
星系也聚成大大小小的集团，有双重星系、多重星系、星系群、星系团。大的星系团可含有上千个星系，尺度达千万光年。在可观测宇宙中星系的数目估计在1000亿以上，截至2022年，其中离地球最远的天体的红移超过11。
星系按形态可以分为椭圆星系、旋涡星系和不规则星系等类型。它们的形成与演化历程尚无定论。20世纪60年代以来，许多正在经历着高能过程的河外天体陆续进入天文学研究的前沿，包括类星体、射电星系、赛弗特星系、蝎虎座BL型天体等，统称为“活动星系核”。对它们的研究涉及宇宙中规模巨大的能量产生、释放和转移的过程，以及星系与超大质量黑洞共同演化的历史。
河外星系的观测将天文学研究的范围扩展到以百亿光年为尺度的广阔空间，这为研究大尺度空间中的物理状态提供了实测的基础，成为宇宙学（研究大尺度空间中的空、时性质和物质运动规律的科学）的一个重要支柱。星系退行的哈勃-勒梅特定律表明宇宙在不断膨胀，对宇宙微波背景辐射的精细观测把宇宙学的研究推进到新的前沿；对星系团内星系运动的测量和引力透镜现象的观测发现维持动力学平衡的引力大部分源于团内的暗物质，而且质量远远超过了“可见物质”；对高红移Ia型超新星的观测发现宇宙处于加速膨胀状态，宇宙能量组分中大约70%来自未知的“暗能量”。暗物质和暗能量的本质是当前天文学和物理学研究面临的两大挑战。
古代的天文学家测量太阳、月亮、行星、恒星在天空的位置，研究它们的位置随着时间变化的规律，从而为农、牧业生产的需要确立方位、时间、节气和历法。就是说是他们最初创建了天体测量学，认识到天体运行的规律性，把它应用到时间服务和历书编算（也就是所谓的“授时”和“编历”）上。千百年来，天体测量学通过授时和编历为生产服务，而生产力的发展又不断地促进了天体测量学的发展。
早在16世纪以前，中国的天象观测已达到非常精确的程度。中国古代天文学家如落下闳、张衡、祖冲之、一行、郭守敬等，设计制造出精巧的观测仪器，通过观测恒星来定岁时，不断改进历法。在西方，古代天文学家倾注很大精力研究行星在星空背景中的运动。他们年复一年、精益求精地测量行星的位置和分析行星运动的规律，最终导致了中世纪哥白尼日心学说的创立，实现了人类认识宇宙的重大飞跃。日心学说的发展到17世纪达到了高峰。I.牛顿把力学概念应用于行星运动的研究，发现和验证了万有引力定律和力学定律，并创立了天文学的一个新的分支——天体力学。天体力学的诞生让天文学从单纯描述天体的几何关系进入研究天体之间相互作用的阶段。就是说，从单纯研究天体运动的状况深入研究造成这些运动的原因。特别应该指出的是，牛顿奠定力学规律的最精确的“实验”是从观测太阳和行星的运动开始的。这是历史上最初把宇宙空间作为实验场所的一次重要尝试。
这一段历史记载了当时的天文学家以极大的耐心和细心（事实上，用了一两千年的时间）不断地积累资料，从而在一定程度上弥补了天文学只能“被动”实验的缺陷。而他们在当时的条件下以行星的运动作为研究目标，收到了很大的效果。
在牛顿以后的200多年中，天体力学的发展给应用数学以有力的推动。从微积分到现在的数学物理方法，它们已成为现代科学中必不可少的工具。
天体之间的引力作用虽然解释了许多天文现象（如地球运动、潮汐现象、太阳系天体乃至星团、星系动力学现象），却不足以阐明天体的本质。19世纪中叶以来，物理学的重大发展把天文学推进到一个新的阶段。以测定天体亮度和分析天体光谱为起点的天体物理学成为天文学的一个新的生长点。19世纪末到20世纪初，量子力学、相对论、原子核物理学和高能物理学的创立给了天文学以新的理论工具研究天体的化学组成、物理性质、运动状态和演化规律，帮助人类对天体的认识深入问题的本质。天体物理学带来的第一个成就是天文学家从此可以根据已知的物理规律阐述天体的演化。
天体物理学的诞生标志着现代天文学的起点，天文观测也在这时进入一个新的阶段。回顾17世纪以前，天文工作者在漫长的年代里只是靠肉眼来观测天象，能看到的星星不过五六千颗。17世纪初，伽利略发明天文望远镜，大大开阔了人类的视野。随着光学技术的发展，望远镜的口径越来越大，20世纪以来光学望远镜的口径从米级扩大到10米级，人类的视野逐步从恒星和星云扩大到银河系和银河系以外的空间。更加重要的是，20世纪60年代以来，射电天文学和空间天文学迅速发展，天文观测不但具有空前的探测能力和精度，而且观测的范围扩展到了整个电磁波段：除可见光以外，天体的射电、红外、紫外、X射线、γ射线的辐射也都能接收到。与此同时，中微子和宇宙线的探测也提供了天体许多极为重要的信息。21世纪初，引力波探测打开了一扇新的观测窗口，天文学正式迈入了多信使观测的时代。
随着观测手段的进步，天体物理学进入空前活跃的阶段。从太阳光谱中发现了化学元素氦，对星云谱线的分析提供了原子禁线理论的线索，对太阳和恒星内部结构的研究建立了热核聚变的理论，从恒星演化的理论引申出元素合成的理论，这些成就奠定了天体物理学发展的基础。20世纪中叶以来，天文学上接连发现的新现象给物理学科包括天体物理学和其他物理学科分支以一连串的冲击。如红外源、分子源、天体微波激射源的发现对恒星形成的研究提供了重要的线索；脉冲星、X射线源（见X射线天文学）、γ射线源（见γ射线天文学）的发现推动了恒星晚期演化和致密星物态的研究；星际分子的发现引起了生物学界和化学界的关注；大规模星系巡天提供了研究星系宇宙学所需的海量观测数据，结合大规模数值模拟，人们可以精确刻画星系大尺度结构的增长历史；通过综合宇宙微波背景辐射、红移畸变、引力透镜等宇宙学探针，对宇宙的膨胀历史和结构演化速率的测量精度优于百分之十；直接探测到双黑洞和双中子星并合的引力波信号以及对星系M87（室女座A星系）与银河系中心超大质量黑洞的直接成像再一次验证了广义相对论；发现的系外行星数目呈爆炸性增长，特别是发现了潜在的类地行星以及确定气态巨行星大气层的特征有力推动了行星科学的发展；时域天文学快速发展，超新星、γ射线暴、快速射电暴、新星、千新星、恒星耀发、潮汐瓦解事件等暂现源或爆发源的数量和种类不断增加，极大地丰富了人们对于宇宙天体活动性的认识。与此同时，深空探测方兴未艾，宇宙飞船远访行星，以及在月球、火星、金星上的着陆考察，太阳系的构成和演化的研究展现出崭新的局面。
这一切表明人类的宇宙观将迎来新的、巨大的飞跃。把宇宙空间作为科学实验场所给人们更深的印象和更大的信心。这个宇宙实验室有地面实验室难以模拟的物理条件，如星际空间中每立方厘米不到一个原子的高度真空、中子星内部每立方厘米包含着10亿吨物质的高密度、脉冲星表面上强达1万亿高斯的磁场、恒星内部和恒星爆发时产生的超过100亿开的高温、γ射线暴和星系核抛射物质所具有的、接近光速的极高速度等。宇宙空间中诸如此类的表演，绝不仅是物理学、力学、化学乃至生物实验室的简单补充。事实上，在这里交织着宏观世界和微观世界研究的前沿，可能正酝酿着人类认识自然的一次新的突破。地面和空间多波段、多信使观测手段的发展给予天文学、物理学以及其他学科的冲击，将反过来促进天文观测技术的迅速发展，从而导致更多的新发现。在这样的背景下，当前的天文学研究集中在宇宙的构成与起源、宇宙中的基本物理规律、第一代恒星和星系的形成、宜居行星探测等重大课题，成为富有生命力的多学科交叉点。
2021年底，口径6.5米的詹姆斯·韦布空间望远镜发射升空，标志着空间天文观测技术趋于成熟。随着电子计算机、光学技术、自动化技术的迅速发展，地面口径30米级的光学红外望远镜（见30米望远镜）和1平方千米接收面积的射电望远镜阵正在建设之中，其检测暗弱信息和分辨微小细节的能力将达到空前的程度。天体演化学、宇宙学、行星科学以及天体物理学其他分支学科的发展将会继续加速，而一些重要的物理学领域，如高能物理学、原子核物理学、广义相对论、等离子体物理学等可能在天文研究中找到新的、重要的突破口。
不难看出，今天人类虽然对天文现象的认识远远超过300年前，但当前天文学的发展却同那时的跃进颇有相似之处。当时天文观测手段的巨大变革——用光学望远镜代替肉眼，发现了一系列当时未知的天文现象；今天的进步——利用地面和空间的望远镜将天文学的视野扩展到全波段和多信使（见多波段天文观测和多信使天文学），又一次带来以往难以预计的重大发现。当时，天体力学的诞生使天文学从单纯描述天体的几何现象进入研究天体之间的相互作用；而今天，天体物理学的发展则使天文学从单纯研究天体的机械运动进入探索它们的本质和演化规律。
这些发展也给古老的天体测量学和天体力学带来新的推动力。人造天体的发射和应用、行星系统、星团、星系等复杂系统中天体的动力学演化给天体力学带来了新的使命，促进了它在理论上和计算技术上的发展。在天体测量方面，由于射电天文、空间技术和激光技术的应用，通过对一些位置已知天体的观测，已能辨别出地面上微小到几厘米的变化，从而开创了天文学、地球物理学和大地测量学的交叉点——天体地球动力学，高精度天体测量也对建立天文参考架和开展天体物理研究起到关键性支撑作用。
在天文学的悠久历史中，随着研究方法的发展，先后创立了天体测量学、天体力学和天体物理学。它们基本上是按研究方法分类的学科。当然，这里所说的方法包括理论和实验两方面的内容。
到20世纪30年代为止，所有的天文观测都是用光学手段进行的。但在此后的一二十年间，射电天文和空间天文的手段相继出现，开展了对天体的射电和红外线、紫外线、X射线和γ射线的观测。射电天文学和空间天文学遂成为按观测手段分类的重要学科。与此同时，以中微子和宇宙线为主要研究对象的粒子天体物理学也逐步走向成熟。进入21世纪，人类第一次直接探测到来自宇宙深处的引力波辐射，由此诞生了引力波天文学。
这里按研究方法和观测手段所作的分类，并没有穷尽“类”的完整性。如从研究方法来说，也可把宇宙化学这些学科列为天文学的学科分支，不过它们还不具备像天体物理学、射电天文学和空间天文学三门学科那样的成熟程度和历史地位。同样，从观测手段的分类来说，人们往往不把光学天文学看作一个专门的学科分支，这是因为光学天文方法的成熟程度和历史地位如此突出，以致在传统概念中天文学本身基本上就是“光学天文学”，通常只是把光学天文实测手段，即天文仪器（指光学天文仪器）单独列为一个学科分支，而不包括用光学方法观测的天文对象和研究结果。另外，射电天文学和空间天文学，由于现阶段观测手段已日臻完善，而每一次的革新都会带来天文上的新发现、新课题，因此观测手段和研究结果紧密相连，交错发展，使这两门学科还保持着自己的特殊性，成为独立的分支。
按照传统的观念，学科分支应当是根据研究对象来区分的。天文学研究的对象，按空间尺度的层次，可分为行星系统（包括太阳系）、太阳、恒星、银河系、星系和物理宇宙（姑且这样说，借以表示现代宇宙学所研究的对象，并与哲学意义上的宇宙相区别）。这里把太阳作为一个特殊的恒星，把银河系作为一个特殊的星系，以突出它们的地位。当然，这些不同的天文学层次之间的界线是分明的，但对它们所用的研究方法和观测手段则是大同小异的（宇宙探测器软着陆之类的方法除外）。因此，对天文学来说，按研究对象的学科分类，辅以研究方法和观测手段的分类，尚不失为一种可行的办法。
天文学方法论是人们认识自然和理解自然的方法的理论。如图是当代天文学各分支的框架图，轮廓性地展示了20世纪和21世纪之交天文研究的概貌。三角形框架的三条边代表当前普遍采用的三种不同的学科分类：①按研究对象分类。②按“观测工具”分类。③按“理性工具”分类。
三类学科的目标研究，得力于“观测工具”和“理性工具”的发展。而这两类工具的发展，又分别借助同时代的技术进步和同时代的基础科学，体现为与天文学交叉并应用于天文研究的技术，以及与天文学交叉并应用于天文研究的基础科学。两类“工具”在天文研究中相互结合（图中为虚线连接）。此外，在图中也给实用天文学设立了位置，它的每一项内容均可视为天文学中某一分支与一项实用研究的交叉。框架结构反映了天文学的发展规律，而学科的进展则反映在分支所设的条目及其内容的改变上。
远古文明时期，天文研究的对象仅仅限于几个太阳系天体以及作为“天空背景”的几千个恒星，观测工具主要是人的眼睛，而理论工具则仅是萌芽时期的天体测量学。这三个方面一开始就各就各位，并随着时代的发展而不断充实、发展、变化，记载着天文学走过的古代科学漫长的旅程，直到17世纪前夕。天文学的发展中17世纪是划时代的。牛顿运动定律和万有引力定律的发现，宣告了现代科学的诞生。而天文学研究，从此越过了几千年来单纯追求太阳系天体运行的“唯象解释”，进入借助力学规律对包括太阳系天体在内的一切天体机械运动的“本质探明”。17世纪的另一个突破性事件发生在1609年，当时伽利略首次以手制望远镜观测天文目标，使得天文视野越过了肉眼聚光能力的局限，开始伸展向更加幽微因而也是更深、更广的宇宙空间。这次突破赋予了上述框架上的“光学天文实测手段”以新的意义：开始了世世求大、求精而且永不停息的各类天文望远镜的研制。
这两次大突破启动了现代天文学凭借“观测工具”和“理性工具”发展的“两条腿走路”，开始以更快的节奏深入天文世界各个层次的不同领域，展开了各类科学目标的探索。这一进程历时400年，而这张框架图也就随着逐步扩展成了今日的组成。
自然科学旨在认识自然，以发现和研究自然现象，探索和解读自然规律为目的。它的成果可应用于技术科学和技术的发展。天文学作为一门自然科学，同样也具有这样的基本性质。
认识自然按深度可分为三个层次。第一是认识自然事物的表象；第二是认识自然事物表象的经验规律；第三是认识自然事物存在与发展的本质。对此，现代天文学发展的“第谷–开普勒–牛顿三部曲”可视为典型。历史上，太阳系天体运行的研究历2 000年到了第谷，第一层次的认识达到了相当高的精度；而开普勒定律所体现的第二层次上的认识，到现在仍堪称登峰造极。这两个层次的认识虽然跨越了历史的认知，但它还只能是“知其然而不知其所以然”，基本上是对一事一物（即对于描述太阳系天体运行）有效。只有到了牛顿时代，才把研究从物体之间相对运动的表象深入这种运动的物理本质。牛顿这时的工作起了双重作用：首先是牛顿把太阳系天体运动看成大自然在太空中演示的力学实验，并使之成为建立力学理论的依据（力学是物理学中最先被开拓的分支），他所发现的万有引力定律和力学规律，适用范围遍及自然界万事万物的力学关系。在这个过程中，牛顿把所建立的力学理论应用于解释太阳系的天体运动，使这个解释达到了“知其所以然”，也就是达到了第三层次的认识。这种三个层次的认识达成了现代意义上的科学认识。
为了强调这一性质，以“第谷–开普勒–牛顿三部曲”为典型，采取如下表述：
第谷型研究（第一层次）：实测发现——获取基本信息。
开普勒型研究（第二层次）：信息发掘—— 创造经验模型（描述表象）。
牛顿型研究（第三层次）：理论解释 —— 创造理论模型（描述本质）。
这里借用大师的名字表明各个层次的分量，用“模型”的创建来代表对科学信息的梳理和解释。模型体现为理论构思与实测数据的拟合。但理论构思允许选择，而实测数据则受到技术方法的制约，具有不确定性。因此，一个科学模型实质的确立上是在具体条件下理论和实测的一种“最佳拟合”。拟合是用数学语言来表述的，因而能够作出推论以扩大认识，作出预测以接受验证。推论和预测，使科学认识在“理论模型”的层次上接受新的挑战。由于科技进步不断牵动理论能力和实测条件的提高，所以任何时候所建立的模型都会不断地面临着新的理论的挑战和实测的检验。历史表明，在科学发展中，不管什么样的挑战都能激励科学的奋进，而且每次“强挑战”的突破都会显著提高理论模型的权威性，还可能预示着科学的革命性进展。天体力学建立之后遇到的一次“强挑战”是1846年海王星的搜索，这次“强挑战”的突破，显示出牛顿力学体系的“威力”。另一次是1882年水星近日点进动超差值的确定，这是一次“不能解决的强挑战”，现在知道，它预兆着引力理论的大变革。
建构天文学“模型”普遍认同的几条先验原则如下述，但不涉及哲学讨论。
①认定宇宙间物质及所遵循的规律的统一性。这种统一性决定了可把发生在“天”上和发生在“地”上的自然现象视为一个整体互相印证；决定了可用自然科学规律来解释极其遥远的天文现象；决定了可用所掌握的天文知识来探索物理学和其他自然科学的基本规律。
任何原则都要接受实测的考验。但当实测与已有的认识矛盾时，首先要检查、修正或改建“模型”，应把矛盾视为促使科学进步的挑战，统一性原则不要轻易放弃。
②认定地球、太阳系、银河系在宇宙中不具有特殊优越的地位。这是“地心论”被抛弃后形成的观念，可将它推论到任何天区，即宇宙中的一切事物都不占有特殊的地位。这种观念符合宇宙学原理。进一步还可认为任何一类天文现象，不论在宇宙间什么场合，只要环境条件相似，演化时期相近，都会遵循相似的产生和发展的途径。人们可通过这种信念大规模测量和比较各类天体（恒星、星系）不同时期的样本，验证长以百万年乃至百亿年计的演化历程。数十年来探索“地外文明”之举，同样也是基于这种“信念”。
③认定宇宙间物质的存在、组合和演变的无限性。这种认定的内涵是，任何时候在已被认识的天文现象之外，仍存在着需要人们去发现或深入了解的现象和规律（至少在可预见到的将来是如此）。这决定了天文观测手段的发展已成为天文学进步的原始推动，它往往超前于学科的发展。
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