ดาราศาสตร์เป็นส่วนหนึ่งในสาขาของวิทยาศาสตร์ที่เก่าแก่ที่สุด นักดาราศาสตร์ในวัฒนธรรมโบราณสังเกตการณ์ดวงดาวบนท้องฟ้าในเวลากลางคืน และวัตถุทางดาราศาสตร์หลายอย่างก็ได้ถูกค้นพบเรื่อยมาตามยุคสมัย อย่างไรก็ตาม กล้องโทรทรรศน์เป็นสิ่งประดิษฐ์ที่จำเป็นก่อนที่จะมีการพัฒนามาเป็นวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ ตั้งแต่อดีตกาล ดาราศาสตร์ประกอบไปด้วยสาขาที่หลากหลายเช่น การวัดตำแหน่งดาว การเดินเรือดาราศาสตร์ ดาราศาสตร์เชิงสังเกตการณ์ การสร้างปฏิทิน และรวมทั้งโหราศาสตร์ แต่ดาราศาสตร์ทุกวันนี้ถูกจัดว่ามีความหมายเหมือนกับฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ตั้งแต่คริสต์ศตวรรษที่ 20 เป็นต้นมา ดาราศาสตร์ได้แบ่งออกเป็นสองสาขาได้แก่ ดาราศาสตร์เชิงสังเกตการณ์ และดาราศาสตร์เชิงทฤษฎี ดาราศาสตร์เชิงสังเกตการณ์จะให้ความสำคัญไปที่การเก็บและการวิเคราะห์ข้อมูล โดยการใช้ความรู้ทางกายภาพเบื้องต้นเป็นหลัก ส่วนดาราศาสตร์เชิงทฤษฎีให้ความสำคัญไปที่การพัฒนาคอมพิวเตอร์หรือแบบจำลองเชิงวิเคราะห์ เพื่ออธิบายวัตถุท้องฟ้าและปรากฏการณ์ต่างๆ ทั้งสองสาขานี้เป็นองค์ประกอบซึ่งกันและกัน กล่าวคือ ดาราศาสตร์เชิงทฤษฎีใช้อธิบายผลจากการสังเกตการณ์ และดาราศาสตร์เชิงสังเกตการณ์ใช้ในการรับรองผลจากทางทฤษฎี
การศึกษาเกี่ยวกับดาวฤกษ์และวิวัฒนาการของดาวฤกษ์เป็นพื้นฐานสำคัญในการทำความเข้าใจกับเอกภพ วิทยาการฟิสิกส์ดาราศาสตร์ของดวงดาวเกิดขึ้นมาจากการสังเกตการณ์และการพยายามสร้างทฤษฎีเพื่อทำความเข้าใจ รวมถึงการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อศึกษาผลที่เกิดขึ้นภายในดวงดาว
ดาวฤกษ์ถือกำเนิดขึ้นในย่านอวกาศที่มีฝุ่นและแก๊สอยู่หนาแน่น เรียกชื่อว่าเมฆโมเลกุลขนาดยักษ์ เมื่อเกิดภาวะที่ไม่เสถียร ส่วนประกอบของเมฆอาจแตกสลายไปภายใต้แรงโน้มถ่วง และทำให้เกิดเป็นดาวฤกษ์ก่อนเกิดขึ้น บริเวณที่มีความหนาแน่นของแก๊สและฝุ่นสูงมากพอ และร้อนมากพอ จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น ซึ่งทำให้เกิดดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักขึ้น[30] ธาตุที่กำเนิดขึ้นในแกนกลางของดาวฤกษ์โดยมากเป็นธาตุที่หนักกว่าไฮโดรเจนและฮีเลียมทั้งสิ้น
คุณลักษณะต่างๆ ของดาวฤกษ์ขึ้นอยู่กับมวลเริ่มต้นของดาวฤกษ์นั้นๆ ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากจะมีความส่องสว่างสูง และจะใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจากแกนกลางของมันเองไปอย่างรวดเร็ว เมื่อเวลาผ่านไป เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหล่านี้จะค่อยๆ แปรเปลี่ยนกลายไปเป็นฮีเลียม ดาวฤกษ์ก็จะวิวัฒนาการไป การเกิดฟิวชั่นของฮีเลียมจะต้องใช้อุณหภูมิแกนกลางที่สูงกว่า ดังนั้นดาวฤกษ์นั้นก็จะขยายตัวใหญ่ขึ้น ขณะเดียวกันก็เพิ่มความหนาแน่นแกนกลางของตัวเองด้วย ดาวแดงยักษ์จะมีช่วงอายุที่สั้นก่อนที่เชื้อเพลิงฮีเลียมจะถูกเผาผลาญหมดไป ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าจะผ่านกระบวนการวิวัฒนาการได้มากกว่า โดยที่มีธาตุหนักหลอมรวมอยู่ในตัวเพิ่มมากขึ้น
การสิ้นสุดชะตากรรมของดาวฤกษ์ก็ขึ้นอยู่กับมวลของมันเช่นกัน ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ของเรามากกว่า 8 เท่าจะแตกสลายกลายไปเป็นซูเปอร์โนวา ขณะที่ดาวฤกษ์ที่เล็กกว่าจะกลายไปเป็นเนบิวลาดาวเคราะห์ และวิวัฒนาการต่อไปเป็นดาวแคระขาว ซากของซูเปอร์โนวาคือดาวนิวตรอนที่หนาแน่น หรือในกรณีที่ดาวฤกษ์นั้นมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ของเรากว่า 3 เท่า มันจะกลายไปเป็นหลุมดำสำหรับดาวฤกษ์ที่เป็นระบบดาวคู่อาจมีวิวัฒนาการที่แตกต่างออกไป เช่นอาจมีการถ่ายเทมวลแก่กันแล้วกลายเป็นดาวแคระขาวแบบคู่ซึ่งสามารถจะกลายไปเป็นซูเปอร์โนวาได้ การเกิดเนบิวลาดาวเคราะห์และซูเปอร์โนวาเป็นการกระจายสสารธาตุออกไปสู่สสารระหว่างดาว หากไม่มีกระบวนการนี้แล้ว ดาวฤกษ์ใหม่ๆ (และระบบดาวเคราะห์ของมัน) ก็จะก่อตัวขึ้นมาจากเพียงไฮโดรเจนกับฮีเลียมเท่านั้น
ดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นจากแผ่นจานฝุ่นที่หมุนวนรอบๆ ดวงอาทิตย์ เมื่อผ่านกระบวนการต่างๆ นานาเช่น การดึงดูดของแรงโน้มถ่วง การปะทะ การแตกสลาย และการรวมตัวกัน แผ่นจานฝุ่นเหล่านั้นก็ก่อตัวเป็นรูปร่างที่เรียกว่า ดาวเคราะห์ก่อนเกิด (protoplanet) แรงดันการแผ่รังสีของลมสุริยะจะพัดพาเอาสสารที่ไม่สามารถรวมตัวกันติดให้กระจายหายไป คงเหลือแต่ส่วนของดาวเคราะห์ที่มีมวลมากพอจะดึงดูดบรรยากาศชั้นแก๊สของตัวเอาไว้ได้ ดาวเคราะห์ใหม่เหล่านี้ยังมีการดึงดูดและปลดปล่อยสสารในตัวตลอดช่วงเวลาที่ถูกเศษสะเก็ดดาวย่อยๆ ปะทะตลอดเวลา การปะทะเหล่านี้ทำให้เกิดหลุมบ่อบนพื้นผิวดาวเคราะห์ดั่งเช่นที่ปรากฏบนพื้นผิวดวงจันทร์ ผลจากการปะทะนี้ส่วนหนึ่งอาจทำให้ดาวเคราะห์ก่อนเกิดแตกชิ้นส่วนออกมาและกลายไปเป็นดวงจันทร์ของมันก็ได้
เมื่อดาวเคราะห์เหล่านี้มีมวลมากพอ โดยรวมเอาสสารที่มีความหนาแน่นแบบต่างๆ เข้าไว้ด้วยกัน กระบวนการนี้ทำให้ดาวเคราะห์ก่อตัวเป็นดาวแบบต่างๆ คือแกนกลางเป็นหิน หรือโลหะ ล้อมรอบด้วยชั้นเปลือก และพื้นผิวภายนอก แกนกลางของดาวเคราะห์อาจเป็นของแข็งหรือของเหลวก็ได้ แกนกลางของดาวเคราะห์บางดวงสามารถสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเองขึ้นมาได้ ซึ่งช่วยปกป้องชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ดวงนั้นๆ จากผลกระทบของลมสุริยะ
ความร้อนภายในของดาวเคราะห์หรือดวงจันทร์เป็นผลจากการปะทะกันที่ทำให้เกิดโครงร่างและสารกัมมันตรังสี (เช่น ยูเรเนียม ธอเรียม และ 26Al ดาวเคราะห์และดวงจันทร์บางดวงสะสมความร้อนไว้มากพอจะทำให้เกิดกระบวนการทางธรณีวิทยาเช่น ภูเขาไฟและแผ่นดินไหว ส่วนพวกที่สามารถสะสมชั้นบรรยากาศของตัวเองได้ ก็จะมีกระบวนการกัดกร่อนของลมและน้ำ ดาวเคราะห์ที่เล็กกว่าจะเย็นตัวลงเร็วกว่า และปรากฏการณ์ทางธรณีวิทยาจะหยุดลงเว้นแต่หลุมบ่อจากการถูกชนเท่านั้น
