천체물리학은 물리학의 원리와 방법론을 적용하여 우주와 그 구성 요소들의 물리적 성질, 구조, 진화 과정을 연구하는 학문이다. 천문학의 한 분야로 분류되기도 하나, 천체의 위치나 운동을 관측하고 기록하는 고전적 천문학을 넘어 천체가 물리적으로 어떻게 작용하는지를 규명하는 데 중점을 둔다.
연구의 주요 대상은 항성, 행성, 은하, 성간 물질, 블랙홀 등 우주의 모든 천체이며, 이들이 방출하는 빛(전자기파)뿐만 아니라 중력파, 우주선(cosmic rays), 중성미자 등을 분석하여 정보를 수집한다. 현대 천체물리학은 전자기학, 통계역학, 열역학, 양자역학, 상대성 이론, 핵 및 입자 물리학 등 물리학 전반의 이론을 바탕으로 한다.
주요 하위 분야로는 별의 탄생과 죽음을 다루는 항성물리학, 은하의 형성과 분포를 연구하는 은하천문학, 우주의 기원과 진화를 다루는 우주론, 그리고 고에너지 현상을 연구하는 고에너지 천체물리학 등이 있다. 분광학적 분석을 통해 천체의 화학적 조성, 온도, 밀도를 파악하며, 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 이론적 모델링 또한 연구의 중요한 수단으로 활용된다.
최근에는 외계 행성 탐사, 암흑 물질 및 암흑 에너지의 정체 규명, 중력파 관측을 통한 다중신호 천문학 등이 주요 연구 과제로 다뤄지고 있다.
