العلم الذي يطبق مبادئ الفيزياء على مجالات عديدة من علم الفلك والفيزياء الفلكية تحاول تحديد الطبيعة المادية للنظام الشمسي والنجوم والمجرات والكون كله وأصولها وتطورها.

ويجري علماء الفيزياء (الطبيعة) الفلكية كثيرا من الدراسات بوساطة التلسكوبات . وتمكنهم التلسكوبات البصرية من رصد الأجرام الفضائية التي تطلق موجات كهرومغنطيسية في أشكال ضوء مرني واشعة تحت حمراء. وتستخدم التلسكوبات الراديوية الدراسة الموجات الراديوية التي تبثها او تعكسها الكواكب والنجوم والمجرات. وتبث مختلف الأجرام الكونية أشعة جاما والأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية. ومثل هذه الموجات يمتصها - إلى حد كبير - غلاف الأرض الجوي، ومن ثم لا يمكن الكشف عنها بوساطة تلسكوبات على سطح الأرض. ويقوم بدراستها علماء الفيزياء الفلكية عن طريق مختبرات خاصة تحملها مناطيد طبقات الجو العليا والصواريخ والمركبات الفضائية.

ويمكن معرفة الكثير عن الطبيعة المادية للأجرام السماوية عن طريق دراسة الأطوال الموجية للموجات الكهرومغنطيسية التي تطلقها وعلى سبيل المثال يعطي تحليل نمط الأطوال الموجية التي ينتجها الضوء القادم من أي نجم معلومات عن كثافته ودرجة حرارته. ويمكن مثل هذا التحليل الطيفي الفيزيائيين الفلكيين أيضاً من تحديد العناصر الكيميائية التي يتكون منها النجم، كما يمكنهم من تحديد كمية هذه العناصر .

ويقدر علماء الفيزياء الفلكية حركة النجم أو المجرة بقياس التحول في الأطوال الموجية للضوء القادم منه. ويطلق على التحول في الضوء الأزرق للجرم السماوي نحو القطاع الأحمر للطيف - او إلى الموجات الأطول، التحول الأحمر. وتشير التحولات الحمراء الضخمة للمجرات البعيدة وأشباه النجوم إلى أنها تتحرك بسرعة مبتعدة عن الأرض. وقد قاد هذا كثيرا من علماء الفيزياء الفلكية للاعتقاد بان الكون يتمدد ومن النظريات التي توفر هذه الملاحظة نظرية الانفجار العظيم التي نتص على أن الكون بدا بانفجار منذ نحو عشرة أو 20 بليون سنة مضت.

ويشمل البحث في علم الفيزياء الفلكية - أيضا - دراسة الإشعاعات الكونية وهي جسيمات ذات طاقة عالية يعتقد أنها ناجمة عن الشمس والنابضات والمستعرات فائقة التوهج وغيرها من أنواع النجوم. وتساعد دراسات الأشعة الكونية علماء الفيزياء الكونية على فهم أفضل للعمليات النووية التي تحدث داخل مثل هذه النجوم.