천문학 또는 천체학은 별이나 행성, 혜성, 은하와 같은 천체와, 지구 대기의 바깥쪽으로부터 비롯된 현상을 연구하는 자연과학의 한 분야이다. 현재 민간에서는 전래되어 오는 몇 개의 별자리 이름이나 그의 얽힌 전설, 또는 몇 개의 별의 이름이나 미리내라고 하는 은하수에 대한 고유명들을 볼 수 있다. 이는 한국에도 중국의 천문사상과는 관련이 없는 특유한 천문학적인 지식이 발달되었다는 사실을 말해주는 것이라고 볼 수 있다. 우주의 시작 및 진화, 천체의 운동, 물리, 화학, 기상, 진화 등을 그 연구 대상으로 한다.
천문학은 인간이 하늘에 대하여 관심을 가지면서 가장 일찍 태동한 학문 중의 하나이다. 선사 시대의 여러 문명들은 피라미드, 스톤헨지 같은 천문학적 유물들을 남겼으며, 바빌론, 그리스, 중국, 인도, 이란, 마야 문명 같은 동서양의 초기 문명들은 밤하늘에 관한 많은 관측기록을 남겼다. 그러나 망원경이 발명됨으로써 천문학은 현대 과학으로 발전을 하였다. 역사적으로 천문학은 측성학, 역법, 천체 항법, 그리고 심지어 점성술까지 수많은 분야들을 포함했었는데, 현대의 천문학은 물리학, 화학, 공학 등을 이용한다. 중력파를 측정한 LIGO나 허블 우주망원경, 지구스케일로 분포하여 아주 큰 하나처럼 작동하는 전파 망원경, 웹스터 망원경 등 우주를 관측하는 장비 제작은 공학적으로 도전적인 일이다. 또한 천체의 움직임에서 가장 비중이 큰 힘은 중력이므로 일반상대론을 많이 이용하며, 별의 핵융합, 중성자별, 블랙홀, 퀘이사 등의 연구에는 물리학과 화학의 여러 분야를 쓰고 있다.
20세기에 들어와 천문학 분야는 관측 분야와 이론 분야로 크게 나뉘었다. 관측 천문학은, 천체에 대한 자료를 얻고, 이를 물리적으로 분석하는 데 초점을 두며, 이론 천문학은 천체와 천문학적 현상들을 컴퓨터나 해석적인 방법으로 설명하는 모형을 세우는 것을 추구한다.
이 두 분야는 상호 보완적이며, 이론 천문학은 관측 결과를 설명하는 틀을 제공하고, 관측 천문학은 이론 결과를 확증해 주는 역할을 한다.
천문학은 여러 자연과학 분야 중 아마추어들의 공헌이 아직도 큰 분야 중의 하나이다. 아마추어 천문학자들은 특히 혜성·소행성·초신성 같이 시간에 따라 변하는 현상들을 발견하고 관측하는 데 중요한 공헌을 하고 있다.
천문학은 점성술과 혼동되어서 안된다. 비록 점성술은 천문학과 같은 뿌리에서 나왔지만, 현재는 완전히 다른 분야이다.