天文学是一门古老的科学，长期与地球物理学研究分开。在亚里士多德的世界观中，天空中的物体似乎是不变的球体，其唯一的运动是圆周上的匀速运动，而实际的陆地是一片经历了生长和衰退的土地，其中自然运动是直线运动，并且运动物体达到其目标时便停止运动。 因此，人们认为天体区域是由一种与陆地上发现的物质完全不同的物质构成的；要么是柏拉图（Plato）主张的火，要么是亚里士多德（ Aristotle）主张的以太。在17世纪，自然哲学家如伽利略（ Galileo） 、笛卡尔（Descartes） 和牛顿（Newton） 开始坚持认为，天体和陆地区域由相似种类的材料制成，并服从相同的自然法则。 他们所面临的挑战是，还没有发明工具来证明这些说法。
在十九世纪的大部分时间里，天文学研究都集中在测量天体位置和计算天体运动的日常工作上。 从威廉姆·海德·沃拉斯顿（William Hyde Wollaston）和约瑟夫·冯·夫琅和费（Joseph von Fraunhofer）分别独立分解来自太阳的光线，发现光谱中观察到大量暗线（光线较少或没有光线的区域）开始，很快被称为天体物理学的新天文学开始出现。 到1860年，物理学家古斯塔夫·基尔霍夫（Gustav Kirchhoff）和化学家罗伯特·本森（Robert Bunsen）已经证明太阳光谱中的暗线对应于已知气体光谱中的亮线，特定的线对应于独特的化学元素。 基尔霍夫推断太阳光谱中的暗线是由太阳大气中的化学元素吸收造成的。 用这种方法证明了在太阳和恒星中发现的化学元素在地球上也发现了。
诺曼·洛克耶（Norman Lockyer）是拓展太阳光谱和恒星光谱的研究者之一，他在1868年发现了太阳光谱中的辐射线和暗线。与化学家爱德华·弗兰克兰（Edward Frankland）一起研究不同温度和压力下的元素光谱，他无法将太阳光谱中的黄线与任何已知元素联系起来。因此，他声称这条线代表了一种新的元素，叫做氦，源自希腊太阳神，太阳的人格化。
1885年，爱德华·皮克林（ Edward C. Pickering）在哈佛大学天文台进行了一项雄心勃勃的恒星光谱分类计划，在这个计划中，其中一组为女性计算科学家，主要是威廉娜·弗莱明（Williamina Fleming）、安东尼娅·莫里（Antonia Maury）和安妮·约姆普·坎农（Annie Jump Cannon），她们对摄影底片上记录的光谱进行了分类。到1890年，她们已经编制了一份超过10，000颗恒星的目录，将它们分成十三种光谱类型。按照皮克林的设想，到1924年，坎农将目录扩大到9卷，超过25万颗恒星，并发展了哈佛分类法，于1922年被全世界接受使用。
1895年，乔治·埃勒里·海耳（George Ellery Hale）和詹姆斯·基勒（James E. Keeler）与来自欧洲和美国的十名副主编一起， 创办了《天体物理学杂志：光谱学和天文物理学国际评论》。 该期刊旨在填补天文学和物理学期刊之间的空白，为发表关于：分光镜天文学应用、与天文物理学密切相关的实验室研究，包括金属和气体光谱的波长测定以及辐射和吸收实验、关于太阳、月亮、行星、彗星、流星和星云的理论、以及关于望远镜和实验仪器的文章提供一个场所。
大约在1920年，在赫茨普朗-罗素图（Hertzsprung–Russell diagram）被发现用作恒星分类和演化的基础后不久，阿瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）在他的论文《恒星的内部构成》中预测了恒星核聚变过程的发现和机制。 当时，恒星能量的来源完全是个谜；爱丁顿根据爱因斯坦的质能方程 E = mc，正确地推测出恒星能量来源于氢和氦的融合，这一融合会释放出巨大的能量。这是一个跨越式的发展，因为那时聚变和热核能，甚至恒星主要由氢组成，都还没有被发现。
1925年，塞西莉亚·海伦娜·佩恩（ Cecilia Helena Payne）（后来的塞西莉亚·佩恩·加波施金Cecilia Payne-Gaposchkin）在拉德克利夫学院写了一篇极有影响力的博士论文，她在论文中将电离理论应用于恒星大气，将光谱等级与恒星温度联系起来。 最重要的是，她发现氢和氦是恒星的主要成分。尽管爱丁顿提出了建议，但这一发现是如此出人意料，以至于她的论文读者说服她在发表之前修改结论。然而，后来的研究证实了她的发现。
到20世纪末，天文光谱研究覆盖的波长已经扩展到从无线电波到光学、x射线和伽马射线。 在21世纪，它进一步扩展到包括基于引力波的观测。
观测天体物理学
观测天文学是天文学的一个分支，主要是记录数据，而理论天体物理学主要是发现物理模型的可测量的物理意义。观测天文学是用望远镜和其他天文仪器观测天体的实践科学。
大多数天体物理观测是利用电磁波谱进行的。
- 射电天文学研究波长大于几毫米的辐射。无线电波，它通常由冷物体发射，如星际气体和尘埃云；宇宙微波背景辐射，它是来自大爆炸的红移光；脉冲星，首次在微波频率下被探测到，以上都是这个领域研究的课题，需要非常大的射电望远镜进行研究。
- 红外天文学研究波长长至肉眼不可见，但比无线电波短的辐射。红外观测通常是用类似于常见光学望远镜的望远镜进行的。比恒星（如行星）冷的物体通常在红外频率下进行研究。
- 光学天文学是最早的天文学。配有电荷耦合器件或分光镜的望远镜是最常用的仪器。地球大气层在一定程度上干扰了光学观测，因此运用自适应光学和空间望远镜来获得尽可能高的图像质量。在这个波长范围内，恒星是高度可见的，可以观察到许多化学光谱来研究恒星、星系和星云的化学组成。
- 紫外线、x光和伽马射线天文学可以用来研究非常高能的过程，例如双星脉冲星、黑洞、磁星和许多其他的过程。这种辐射不能很好地穿透地球大气层。有两种方法可以用来观测这一部分电磁波谱——天基望远镜和地基成像空中契伦科夫望远镜（IACT）。RXTE天文台、钱德拉x光天文台和康普顿伽马射线天文台都是第一种。IACT的例子有高能立体系统（H.E.S.S）和MAGIC望远镜。
除了电磁辐射，很少能从地球上观察到来自遥远太空的信息。虽然已经建造了一些引力波观测站，但是引力波极难探测。中微子天文台也已经建成，主要是为了研究我们的太阳。可以观察到由高能粒子组成的宇宙射线撞击地球大气层。
观测在时间尺度上也可能不同。大多数光学观测需要几分钟到几个小时，所以变化速度比这更快的现象很难观察到。然而，我们也积累了一些天体跨越几个世纪或几千年的历史数据。另一方面，无线电可以用来在毫秒时间尺度（毫秒脉冲星）上观察事件，或者结合多年的数据（脉冲星减速研究）进行研究。从这些不同的时间尺度上获得的信息也是非常不同的。
研究我们自己的太阳在观测天体物理学中有着特殊的地位。由于和其他恒星之间有着的巨大距离，从太阳的观察中得到的细节是其他恒星无法比拟的。我们对自己太阳的理解可以指导我们对其他恒星的理解。
恒星如何变化或恒星演化的这一课题，通常是通过将各种不同的恒星类型放置在赫茨普朗-罗素图上它们各自的位置来模拟的，这可以被视为星体从诞生到毁灭的状态。
理论天体物理学
理论天体物理学家使用各种各样的工具，包括分析模型（例如，多变性来近似恒星的行为）和计算数值模拟。每种方法都有一些优势。过程的分析模型通常更有助于洞察正在发生的事情的核心。数值模型可以揭示本来观测不到的现象和效应。
天体物理学理论家努力创建理论模型，并找出符合这些模型的观测结果。这有助于观察者寻找能够反驳模型的数据，或者有助于在几个备选模型或冲突模型之间进行选择。
理论家还试图生成或修改模型，以加入新的数据。在不一致的情况下，总的趋势是尽量对模型进行最小的修改以适应数据。在某些情况下，随着时间的推移，大量不一致的数据可能会导致完全放弃模型。
理论天体物理学家研究的课题包括恒星动力学和演化；星系的形成和演化；磁流体动力学；宇宙中物质的大尺度结构；宇宙射线的起源；广义相对论和物理宇宙学，包括弦宇宙学和天体粒子物理学。天体物理学相对论作为测量大尺度结构性质的工具，引力在研究的物理现象中起着重要作用，也是黑洞物理学和引力波研究的基础。
目前被广泛接受和研究的天体物理学一些理论和模型，包括在λ-CDM模型中，有大爆炸、宇宙膨胀、暗物质、暗能量和物理基础理论。有待证明（或反驳）的假说有虫洞。
推广普及
天体物理学的起源伴随着在十七世纪统一物理学的出现，在这一物理学中，同样的定律适用于天体和陆地领域。 有些在物理学和天文学方面都有建树的科学家为当前的天体物理学奠定了坚实的基础。在现代，由于天体物理学被皇家天文学会和著名教育家如劳伦斯·克劳斯（Lawrence Krauss）、苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）、斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）、休伯特·里维斯（Hubert Reeves）、卡尔·萨根（Carl Sagan）、尼尔·德格拉斯·泰森（Neil deGrasse Tyson）和帕特里克·摩尔（Patrick Moore）教授推广普及，不断有学生们被它所吸引。早期、晚期和现在的不同时代的科学家都不断努力吸引年轻人来研究天体物理学的历史和这一科学。
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