天體物理學(Astrophysics)是天文學的三個分支之一,是研究宇宙的物理學，包括星體的物理性質(光度，密度，溫度，化學成分等等)和星體與星體彼此之間的相互作用。應用物理理論與方法，天體物理學探討恒星結構、恒星演化、太陽系的起源和許多跟宇宙學相關的問題。
天體物理實驗數據大多數是依賴觀測電磁輻射獲得。比較冷的星體，像星際物質或星際云會發射無線電波。大爆炸后，經過紅移，遺留下來的微波，稱為宇宙微波背景輻射。研究這些微波需要非常大的無線電望遠鏡。太空探索大大地擴展了天文學的疆界。由于地球大氣層的干擾，紅外線、紫外線、伽馬射線和X射線天文學必須使用人造衛星在地球大氣層外做觀測實驗。
光學天文學通常使用加裝電荷耦合元件和光譜儀的望遠鏡來做觀測。由于大氣層會干涉觀測數據的品質，還必須配備調適光學系統，或使用太空望遠鏡，才能得到最優良的影像。在這頻域里，恒星的可見度非常高。借著觀測化學頻譜，可以分析恒星、星系和星云的化學成份。
理論天體物理學家及實測天體物理學家分別扮演這門學科當中的兩大主力研究者，兩者專業分工。理論天體物理學家通常扮演大膽假設的研究者，理論不斷推陳出新，對于數據的驗證關心程度較低，假設程度太高時，經常會演變成偽科學，一般都是天體物理學研究者當中的激進人士。實測天體物理學家通常本身精通理論天體物理，在相當程度上來說也有能力自行發展理論，扮演小心求證的研究者，通常是物理實證主義的奉行者，只相信觀測數據，經常對理論天體物理學所提出的假說進行證偽或證實的活動，一般都是天體物理學研究者當中的保守人士。