Từ thế kỷ XX, lĩnh vực thiên văn học chuyên nghiệp được chia thành các nhánh quan sát và thực nghiệm. Thiên văn học quan sát chú trọng tới việc thu thập và phân tích dữ liệu, sử dụng các nguyên tắc cơ bản của vật lý. Thiên văn học lý thuyết định hướng theo sự phát triển các mô hình máy tính hay mô hình phân tích để miêu tả các vật thể và hiện tượng thiên văn. Hai lĩnh vực bổ sung cho nhau, thiên văn học lý thuyết tìm cách giải thích các kết quả quan sát, và việc quan sát lại thường được dùng để xác nhận các kết quả lý thuyết.