천문학(天文學, 영어 : astronomy) 또는 천체학(天體學, 영어 : uranography)은 별과 행성, 혜성, 은하와 같이 우주를 이루고 있는 천체들에서 일어나는 각종 현상에 관하여 연구하는 학문입니다. 천문학을 뜻하는 영어 단어인 astronomy는 별을 의미하는 그리스어인 astron(ἄστρον)과 법칙, 문화를 의미하는 nomos(νόμος)에서 유래했으며, 각 단어의 의미 그대로 "별의 법칙"(또는 별의 문화)을 뜻합니다. 천문학은 농사와 날씨 예견 그리고 해양, 지리 관측과 측량에 관련되어 있으므로 인간의 생존에 있어 필수적인 학문이었기 때문에 그 역사가 매우 깊습니다.
20세기로 들어서면서 천문학은 이론 분야와 관측 분야로 나뉘게 되었습니다. 이는 연구 방법에 따라서 분야를 달리 한 것으로 이론천문학(Theoretical astronomy)에서는 주로 물리학에 기반하여 천문 현상을 설명하거나 알려지지 않은 새로운 천문 현상을 예측하고, 관측천문학(Observational astronomy)에서는 천체를 직접 관측하거나 이미 관측된 자료를 가지고 천문 현상을 연구합니다.
이론천문학자들은 방정식을 사용하여 해석적인 모형을 이용하거나 컴퓨터를 이용한 수치 모형과 같은 방법을 이용하여 천체 또는 천문 현상을 이해하고자 합니다. 해석적인 모형을 이용하는 경우에는 보다 직접적인 통찰이 가능하며 수치 모형을 이용하는 경우 매우 복잡한 현상을 간단히 계산해 내어 어떤 현상이 존재할 수 있는지 등을 이해하는 데 도움이 됩니다. 이론천문학자들은 모형을 만들고, 그 모형이 옳다면 어떤 결과를 가져올지를 연구합니다. 이렇게 만들어진 이론을 바탕으로 관측천문학자들은 이 이론들 중 어느 것이 옳은 것인지 가려줄 관측 자료들을 모으거나 실험을 계획하게 됩니다. 새로운 관측 자료가 얻어지면, 이론천문학자들은 이 관측 결과를 설명할 수 있게 꾸준히 모형을 바꾸고 발전시킵니다. 이론천문학의 주제로는 별의 진화, 천체 역학, 은하의 형성과 진화, 우주 거대구조, 일반 상대론, 물리우주론, 우주선의 기원 등이 있습니다.
관측천문학은 어떤 요소를 관측하느냐에 따라 여러 세부 분야로 나누어지게 되는데 이는 천체로부터 발생되는 전자기파의 파장대별로 구분될 수 있습니다. 광학천문학(Optical astronomy)은 역사적으로 가장 오래된 천문학 분야로 400 나노미터에서 700 나노미터의 가시광 영역에 관하여 연구합니다. 현재는 디지털 검출기, 특히 CCD 카메라(빛을 전하로 변화시켜 이미지를 얻어내는 기기)를 사용하여 연구가 진행되고 있습니다. 자외선천문학(Ultraviolet astronomy)은 10 나노미터에서 320 나노미터 영역대의 자외선 파장을 관측하는 천문학 분야입니다. 자외선천문학은 뜨겁고 파란 별들로부터 나오는 열복사와 방출선들을 연구하는 데에 가장 적합한 분야입니다. 적외선천문학(Infrared astronomy)은 가시광의 붉은색 빛보다 파장이 긴 대역인 적외선 영역의 빛을 연구하는 분야입니다. X선천문학(X-ray astronomy)은 X선에 관하여 연구하는 분야로 X선은 대기층에서 완전히 흡수되어 지구에는 도달하지 않기 때문에 우주공간에서 로켓이나 인공위성 등을 이용하여 천체로부터 오는 X선을 관측합니다.