ในการศึกษาดาราศาสตร์เชิงทฤษฎี มีการใช้เครื่องมือหลากหลายชนิดรวมถึงแบบจำลองการวิเคราะห์ต่าง ๆ รวมถึงการจำลองแบบคำนวณทางคณิตศาสตร์ในคอมพิวเตอร์ เครื่องมือแต่ละชนิดล้วนมีประโยชน์แตกต่างกันไป แบบจำลองการวิเคราะห์ของกระบวนการจะเหมาะสำหรับใช้ศึกษาถึงสิ่งที่กำลังจะเกิดขึ้นอันสามารถสังเกตได้ ส่วนแบบจำลองคณิตศาสตร์สามารถแสดงถึงการมีอยู่จริงของปรากฏการณ์และผลกระทบต่าง ๆ ที่เราอาจจะมองไม่เห็น

         นักดาราศาสตร์ทฤษฎีล้วนกระตือรือร้นที่จะสร้างแบบจำลองทฤษฎีเพื่อระบุถึงสิ่งที่จะเกิดขึ้นต่อไปจากผลสังเกตการณ์ที่ได้รับ เพื่อช่วยให้ผู้สังเกตการณ์สามารถเลือกใช้หรือปฏิเสธแบบจำลองแต่ละชนิดได้ตามที่เหมาะสมกับข้อมูล นักดาราศาสตร์ทฤษฎียังพยายามสร้างหรือปรับปรุงแบบจำลองให้เข้ากับข้อมูลใหม่ ๆ ในกรณีที่เกิดความไม่สอดคล้องกัน ก็มีแนวโน้มที่จะปรับปรุงแบบจำลองเล็กน้อยเพื่อให้เข้ากันกับข้อมูล ในบางกรณีถ้าพบข้อมูลที่ขัดแย้งกับแบบจำลองอย่างมากเมื่อเวลาผ่านไปนาน ๆ ก็อาจจะต้องล้มเลิกแบบจำลองนั้นไปก็ได้

หัวข้อต่าง ๆ ที่นักดาราศาสตร์ทฤษฎีสนใจศึกษาได้แก่ วิวัฒนาการและการเปลี่ยนแปลงของดาวฤกษ์ การก่อตัวของดาราจักร โครงสร้างขนาดใหญ่ของวัตถุในเอกภพ กำเนิดของรังสีคอสมิก ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และฟิสิกส์จักรวาลวิทยา รวมถึงฟิสิกส์อนุภาคในทางดาราศาสตร์ด้วย การศึกษาฟิสิกส์ดาราศาสตร์เป็นเสมือนเครื่องมือสำคัญที่ใช้ตรวจวัดคุณสมบัติของโครงสร้างขนาดใหญ่ในเอกภพ ที่ซึ่งแรงโน้มถ่วงมีบทบาทสำคัญต่อปรากฏการณ์ทางกายภาพต่าง ๆ และเป็นพื้นฐานของการศึกษาฟิสิกส์หลุมดำ และการศึกษาคลื่นแรงโน้มถ่วง ยังมีทฤษฎีกับแบบจำลองอื่น ๆ อีกซึ่งเป็นที่ยอมรับและร่วมศึกษากันโดยทั่วไป ในจำนวนนี้รวมถึงแบบจำลองแลมบ์ดา-ซีดีเอ็ม ทฤษฎีบิกแบง การพองตัวของจักรวาล สสารมืด และ พลังงานมืด ซึ่งกำลังเป็นหัวข้อสำคัญในการศึกษาดาราศาสตร์ในปัจจุบัน