Astronomia profesională este împărțită în ramuri observaționale și teoretice. Astronomia observațională se concentrează pe obținerea de date din observațiile obiectelor astronomice. Aceste date sunt apoi analizate folosind principiile de bază ale fizicii. Astronomia teoretică este orientată spre dezvoltarea de modele computerizate sau analitice pentru a descrie obiectele și fenomenele astronomice. Aceste două domenii se completează reciproc. Astronomia teoretică urmărește să explice rezultatele observaționale, iar observațiile sunt folosite pentru a confirma rezultatele teoretice.
În ciuda marilor sale progrese, astronomia este încă supusă unei constrângeri majore: este în mod inerent o știință observațională mai degrabă decât o știință experimentală. Aproape toate măsurătorile trebuie efectuate la distanțe mari de obiectele de interes, fără control asupra unor cantități precum temperatura, presiunea sau compoziția lor chimică. Există câteva excepții de la această limitare - și anume, meteoriți (dintre care majoritatea provin din centura de asteroizi, deși unii sunt de pe Lună sau Marte), probe de rocă și sol aduse înapoi de pe Lună, mostre de cometă și praf de asteroizi returnate de nave spațiale robotizate și particule de praf interplanetare colectate în stratosferă sau deasupra. Acestea pot fi examinate cu tehnici de laborator pentru a oferi informații care nu pot fi obținute în niciun alt mod. În viitor, misiunile spațiale pot returna materiale de suprafață de pe Marte sau de pe alte obiecte, dar o mare parte din astronomie pare altfel limitată la observațiile de pe Pământ, augmentate de observații de la sateliți care orbitează și sonde spațiale cu rază lungă de acțiune și completate de teorie.
Astronomii teoreticieni folosesc mai multe instrumente, inclusiv modele analitice și simulări numerice computerizate; fiecare având avantajele sale specifice. Modelele analitice ale unui proces sunt mai bune pentru a oferi o perspectivă mai largă asupra bazelor a ceea ce se întâmplă. Modelele numerice relevă existența unor fenomene și efecte de altfel neobservate.
Teoreticienii din astronomie se străduiesc să creeze modele teoretice și din rezultate prezic consecințele observaționale ale acelor modele. Observarea unui fenomen prezis de un model le permite astronomilor să aleagă dintre mai multe modele alternative sau conflictuale ca fiind cel mai capabil să descrie fenomenele.
De asemenea, teoreticienii încearcă să genereze sau să modifice modele pentru a ține cont de date noi. In cazul unei inconsecvențe între date și rezultatele modelului, tendința generală este de a încerca să se facă modificări minime modelului astfel încât acesta să producă rezultate care să se potrivească datelor. În unele cazuri, o cantitate mare de date inconsecvente în timp poate duce la abandonarea totală a unui model.
Fenomenele modelate de astronomii teoreticii includ: dinamica și evoluția stelare; formarea galaxiilor; distribuția pe scară largă a materiei în Univers; originea razelor cosmice; relativitatea generală și cosmologia fizică, inclusiv cosmologia șirurilor și fizica astroparticulelor. Relativitatea astrofizică servește ca instrument de măsurare a proprietăților structurilor la scară mare pentru care gravitația joacă un rol semnificativ în fenomenele fizice investigate și ca bază pentru (astro)fizica găurilor negre și studiul undelor gravitaționale.
Unele teorii și modele larg acceptate și studiate în astronomie, acum incluse în modelul Lambda-CDM sunt Big Bang-ul, materia întunecată și teoriile fundamentale ale fizicii.