天文学系的研究领域包括天体物理学和天文技术及应用两方面。天体物理学是当前天文学中发展最快和最富有成果的学科，它一直是北京大学天文学系的主要学科方向。北京大学天文学系教师的研究成果多次获得国家和教育部自然科学奖。天文学系的研究主要集中在以下五个领域：
1. 宇宙学和星系物理
主要内容：宇宙学模型；暗物质；宇宙再电离；宇宙大尺度结构；星系团；类星体；星系形成与演化；星系-大质量黑洞共同演化；星系结构与动力学；星系的星族合成。
利用观测、理论和数值模拟相结合，对宇宙学和星系物理中的重大问题进行具有国际水平的研究。
指导老师：何子山，吴学兵，于清娟，江林华，王然，彭影杰，王菁，Kohei Inayoshi，姜方周
2. 星际介质、恒星和行星
主要内容：气体星云物理学；恒星与行星形成；系外行星的发现、分布和动力学；恒星元素丰度与星系化学演化；恒星核合成；天体物理中的原子分子物理过程；星团的性质、形成和演化； 银河系的结构、动力学、元素丰度分布及其形成和演化；近场宇宙学。
充分利用国内外一流观测设备，对星云、恒星系统和系外行星进行高质量的观测。通过对天体物理过程的分析研究其内在物理规律。
指导老师：张华伟，Gregory J. Herczeg，东苏勃，王科，王力乐，邓李才(兼职)，李菂(兼职)
3. 引力和高能天体物理
主要内容：黑洞形成与增长；黑洞和吸积物理；X 射线双星； 活动星系核和类星体；伽玛射线暴；超新星；致密双星；广义相对论和其它引力理论；引力波天体物理。
充分利用国内外先进观测资料，理论与观测相结合，探讨中子星、黑洞等高能和相对论天体的物理本质与科学意义。
指导老师：何子山，吴学兵，徐仁新，刘富坤，李立新，于清娟，黎卓，东苏勃，王然，李柯伽，陈弦，邵立晶
4. 粒子与核天体物理
主要内容：天体夸克物质的性质及其天体物理后果；宇宙线、伽玛射线和中微子天文；脉冲星的磁层结构与辐射、利用脉冲星探测宇宙磁场、脉冲星时间标准与导航。
利用天文多波段、多信使的探测结果，对与基本粒子与原子核相关的物理进行探讨。
指导老师：徐仁新，李立新，黎卓，李柯伽，韩金林(兼职)
5. 天体物理技术和应用
主要内容：多波段地面、空间天体物理技术与方法及其应用。
对我国正在研制的空间太阳望远镜和地面大射电望远镜中的关键技术进行研究，并将其应用于在天文及其它研究领域。
指导老师：李柯伽
