Každá veda má svoje metódy výskumu. Základom metód astronomického výskumu je pozorovanie. Hlavným zdrojom informácií v astronómii je žiarenie, ktoré sa dostáva z vesmírnych objektov do astronomických prístrojov. Napríklad veľmi presným určením smeru, z ktorého žiarenie prichádza na Zem, môžeme okrem polohy objektu zistiť aj jeho pohyb.
Pri pozorovaniach z rôznych častí Zeme môžeme určiť vzdialenosti objektov. Spektrálny výskum nám umožní získať informácie o chemickom zložení, fyzikálnom stave, pohybe a stave fyzikálnych objektov, ktorých žiarenie skúmame.
Pri získavaní informácií pozorovaním je astronómia v určitej nevýhode vzhľadom na ostatné vedné odbory. Nemá možnosť pozorované javy experimentálne overiť alebo podľa ľubovôle opakovať. Astronómia sa musí uspokojiť so získavaním čo najrozsiahlejších a najkvalitnejších pozorovaní a potom analýzou a dedukciou objavovať pôsobiace zákonitosti. Len celkom výnimočne sa získa na priamy experimentálny výskum aj sama látka určitých kozmických telies. Veľmi dôležitým je v súčasnosti výskum uskutočňovaný prístrojmi kozmických sônd a umelých družíc, zriedkavejšie na výškových raketách a stratosférických balónoch.
Pre celý astronomický výskum je neodmysliteľnou metódou aplikácia známych fyzikálnych zákonitostí na javy vo vesmíre. To sa nemôže zaobísť bez extrapolácií známych zákonitostí na extrémne kozmické podmienky, kde procesy prebiehajú v podmienkach, ktoré sa v pozemských laboratóriach nedajú modelovať. Astrofyzika tak spätne obohacuje fyziku o cenné poznatky. Popri fyzikálnych metódach sa v astronómii uplatňujú poznatky a metódy iných vedných odborov ako napríklad geológie, biológie, geochémie a iných.
