Астрономия тесно связана с другими науками, прежде всего с физикой и математикой, методы которых широко в ней используются. Астрономия как наука основывается прежде всего на наблюдениях. В отличие от физиков, астрономы лишены возможности ставить эксперименты над объектами своих исследований. Практически всю информацию о небесных телах нам приносит их электромагнитное излучение. Лишь в последние 40 лет некоторые небесные тела стали изучать непосредственно: с помощью автоматических станций стало возможным зондировать атмосферы планет, изучать их грунт.
Поэтому в XX веке астрономия разделилась на две главные ветви: наблюдательную и теоретическую. Цель наблюдательной астрономии - получение данных из наблюдений небесных тел. Эти данные астрономы затем анализируют с помощью основных законов физики. Астрономы-теоретики занимаются разработкой компьютерных, математических или аналитических моделей для описания астрономических объектов и явлений. Эти две ветви дополняют друг друга: теоретическая астрономия ищет объяснения результатам наблюдений, а наблюдательная астрономия используется для подтверждения теоретических выводов и гипотез.
Астрономия изучает фундаментальные законы природы и нашего мира. Поэтому особенно велико ее философское значение. Фактически она определяет наше мировоззрение.