Thiên văn học tia X là việc nghiên cứu các vật thể vũ trụ ở các bước sóng tia X. Đặc biệt là các vật thể phát xạ tia X như phát xạ synchrotron (do các electron dao động xung quanh các đường từ trường tạo ra), phát xạ nhiệt từ các khí mỏng (được gọi là phát xạ bremsstrahlung) ở trên 107 (10 triệu) độ kelvin, và phát xạ nhiệt từ các khí dày (được gọi là phát xạ vật thể tối) ở trên 107 độ Kelvin. Bởi các tia X bị khí quyển Trái Đất hấp thụ, toàn bộ việc quan sát tia X phải được thực hiện trên những khí cầu ở độ cao lớn, các tên lửa, hay tàu vũ trụ. Các nguồn tia X đáng chú ý gồm sao kép tia X, pulsar, tàn tích sao siêu mới, thiên hà elíp, cụm thiên hà, và nhân thiên hà hoạt động.