Các chủ đề được các nhà thiên văn học lý thuyết nghiên cứu gồm: động lực sao và tiến hoá sao; thành tạo thiên hà; cơ cấu ở tầm mức lớn của các vật thể trong Vũ trụ; nguồn gốc các tia vũ trụ; tương đối rộng và vật lý vũ trụ, gồm vũ trụ học dây và vật lý phần tử vũ trụ. Thuyết tương đối vật lý vũ trụ là một công cụ để xác định các tính chất của các vật thể tầm mức lớn trong đó lực hấp dẫn đóng một vai trò quan trọng trong hiện tượng vật lý được nghiên cứu và như một căn bản cho hố đen (vũ trụ)vật lý và việc nghiên cứu các sóng hấp dẫn.