为适应创办世界一流大学与知识创新工程的需要，北京大学和中国科学院于1998年在北京大学共同组建了“北京天体物理中心”，并于2000年6月将天体物理专业正式扩展为天文学系, 聘请中国科学院院士陈建生担任系主任。 2001年5月北京大学物理学院成立后，天文学系即隶属于物理学院。2001年底,在教育部组织的全国重点学科评审中，北大天体物理学科被评为全国重点学科。
北京大学天文学系的成立得到了北京大学和中国科学院双方领导的大力支持，办学条件得到了极大改善，并陆续从海外聘请了多名青年学者任教。联合办学使北京大学与中科院在天文学领域实现了强强联合，资源共享，产生了积极的成效。共建的天文学系拥有高水平的教学与科研条件，学术空气活跃，并对学科方向作了重要调整，以适应培养国际一流天文学家的需要。
2006年，北京大学与美国Kavli基金会正式签署合同在北京大学建立科维理天文与天体物理研究所（Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics，KIAA-PKU)，并于2008年正式运行。美国艺术与科学院院士、加州大学圣克鲁斯分校天文系著名理论天体物理学家林潮（Douglas N. C. Lin）教授担任KIAA首任所长，并在全球招聘了一批在国际上崭露头角的青年天文学者组成研究团队，KIAA正在逐步形成北大天文学科的国际交流平台和研究中心。
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