从研究对象看，天文学研究涉及宇宙空间中的各类天体和其他宇宙物质以及整个宇宙。什么是宇宙？《淮南子-原道训》注日：“四方上下日宇，古往今来日宙，以喻万物。”用现代科学术语来说，宇就是空间，宙就是时间。宇宙就是客观存在的物质世界，通常作为天地万物的总称。什么是宇宙空间？宇宙空间是指地球大气层外广袤无垠的空间，即通常所称的太空。什么是天体？天体是指太空中的一切实体，既包括在太空中运行的日月星辰等自然天体，又包括人造卫星和太空站那样的人造天体。
就自然天体而言，通常可由近及远将其分为三个层次：(1)太阳系中的天体：包括太阳、行星、矮行星、卫星、小行星、彗星、流星体等。(2)银河系中的天体：包括恒星、星团、星云等。(3)在银河系外还有无数与银河系相似的河外星系及其所组成的星系团和超星系团等。除了天体之外，天文学也探测和研究处于行星间和星系间的弥漫物质和各种辐射流以及作为物质存在形式的电磁场和引力场等。
人类居住的地球是太阳系的八大行星之一，也是一个运行于宇宙空间中的天体。天文学也研究地球，但研究的角度和内容与地球科学的各专门学科有所不同。天文学是把地球作为一颗代表性的行星研究的，是用天文方法来研究地球的有关问题。地球科学各学科(如地质学、地理学、气象学等)则专门从事地球某方面问题的研究。常有人把天文现象与地球大气现象混为一谈，把天文学与气象学混淆起来。其实，气象学属地球科学，它的研究对象是地球大气层中的各种物理过程及变化规律，而天文学则以地球大气层之外的天体作为研究对象。所以，预报天气的阴晴冷暖风霜雨雪是气象部门的事，而预报太阳活动、日食、月食、彗星和流星雨是天文部门的事。
宇宙中的天体具有多样性。它们在大小、质量、光度、温度、变化规律等方面有很大差别。天文学的研究对象具备地面实验室难以达到的条件，诸如高真空、高密度、高强磁场、高强引力场、超高温、超高速、超高能量等，提供了人类发现与验证自然法则的无法模拟的场所。
天文学研究对象的一个重要方面，就是由各种天体组成的天体系统。首先要指出的是，形成天体系统的天体之间必须具有相互吸引和相互绕转的关系，否则就不能称为天体系统。例如，地月系就是由地球和围绕地球运转的月球所组成的天体系统。猎户星座、北斗七星都不是天体系统，单独一个天体也不能构成天体系统。其次，天体系统有大有小，分为不同的层次，由低往高排列依次为地月系、太阳系、银河系、星系团、超星系团、总星系。
现代天文学不仅研究宇宙中的各类天体及其所组成的天体系统，而且还研究其他宇宙物质形态和整个宇宙。从我们的天文观察已经知道．我们人类能感知到的常规物质的能量，只占整个宇宙能量的4％，其他96％的能量是由我们所不了解的暗物质和暗能量构成的。
暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质。暗物质对所有我们能测量的光、电场、磁场都不起任何作用，可是它有引力场。第一次发现宇宙暗物质存在的证据是在1933年。当时，弗里兹·扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的许多倍，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。由此可知，在宇宙中必定存在着大量我们所不知道的暗物质，其总能量比我们知道的常规物质的总能量大五倍以上，占整个宇宙能量的23％，可是对暗物质的其他性质，我们完全不知道。
通过对遥远的超新星的观测和研究，天文学家发现，我们的宇宙不仅在不断地膨胀，而且是在加速膨胀。宇宙加速膨胀的发现是具有深远意义的一项重大发现。为此项发现作出突出贡献的三位天体物理学家理所当然地被授予2011年度的诺贝尔物理奖。从宇宙膨胀的加速度可以推算出，它是由于一种负压力，也就是暗能量的存在才加速膨胀的。而这暗能量的总量竞占到整个宇宙能量的73％！ 正如著名科学家李政道所指出的那样，21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战。由此可见，我们人类对宇宙的探索依然是任重道远，目前有可能正处于将要取得突破性进展的前夜。P3-5
