Bản mẫu:Nucleosynthesis

Các nhà thiên văn học lý thuyết sử dụng nhiều loại dụng cụ gồm cả các mô hình phân tích (ví dụ, các polytrope để ước đoán các hoạt động của một ngôi sao) và Phân tích số học máy tính. Mỗi cách đều có một số lợi thế. Các mô hình phân tích của một quá trình nói chung là tốt hơn để có một cái nhìn bên trong sự kiện đang diễn ra. Các mô hình số có thể phát lộ sự tồn tại của hiện tượng và các hiệu ứng không thể quan sát bằng cách khác.[37][38]

Các nhà lý thuyết trong thiên văn học nỗ lực tạo ra các mô hình lý thuyết và xác định các kết quả quan sát của các mô hình đó. Điều này giúp các nhà quan sát tìm kiếm dữ liệu có thể bác bỏ một mô hình hay giúp lựa chọn giữa nhiều mô hình thay thế hay xung đột lẫn nhau.

Các nhà lý thuyết cũng tìm cách tạo lập hay sửa đổi các mô hình để phù hợp với dữ liệu mới. Trong trường hợp có sự mâu thuẫn, khuynh hướng chung là tìm các thực hiện các sửa đổi nhỏ nhất với mô hình để phù hợp với dữ liệu. Trong một số trường hợp, một lượng lớn dữ liệu không thống nhất theo thời gian có thể dẫn tới sự từ bỏ một mô hình.

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 thiên văn, gồm vũ trụ học dây và vật lý phân tử thiên văn. Thuyết tương đối vật lý thiên văn 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.

Một số lý thuyết được chấp nhận và nghiên cứu rộng rãi và các mô hình trong thiên văn học hiệm gồm mô hình Lambda-CDM là Big Bang, lạm phát vũ trụ, vật thể tối, và các lý thuyết nền tảng của vật lý.

Một số ví dụ về quá trình này:

Vật thể tối và năng lượng tối là các chủ đề hiện tại trong thiên văn học,[cần dẫn nguồn] bởi sự khám phá ra chúng và nguồn gốc bị tranh cãi của chúng trong việc nghiên cứu các thiên hà.