Астрономи-теоретики використовують широкий спектр інструментів, які включають аналітичні моделі (наприклад, політропи наближені до поведінки зірки) і обрахунки чисельних моделювань. Кожен з методів має свої переваги. Аналітична модель процесу, як правило, краще дає зрозуміти суть того, чому це (щось) відбувається. Чисельні моделі можуть свідчити про наявність явищ і ефектів, яких, ймовірно, інакше не було б видно.

Теоретики в галузі астрономії прагнуть створювати теоретичні моделі і з'ясувати в дослідженнях наслідки цих моделювань. Це дає змогу спостерігачам шукати дані, які можуть спростувати модель або допомогає у виборі між кількома альтернативними або суперечливими моделями. Теоретики також експериментують у створенні або видозміні моделі з урахуванням нових даних. У разі невідповідності загальна тенденція полягає у спробі зробити мінімальними зміни в моделі й відкорегувати результат. У деяких випадках велика кількість суперечливих даних з часом може призвести до повної відмови від моделі.

Теми, які вивчають теоретичні астрономи: зоряна динаміка і еволюція галактик; великомасштабна структура Всесвіту; походження космічних променів; загальна теорія відносності та фізична космологія, зокрема космології зірок і астрофізика. Астрофізичні відносності служать як інструмент для оцінювання властивостей великомасштабних структур, для яких гравітація відіграє значну роль у фізичних явищах і основою для досліджень чорних дір, астрофізики та вивчення гравітаційних хвиль. Деякі широко прийняті і вивчені теорії і моделі в астрономії, тепер включені в Lambda-CDM моделі, Великий Вибух, Космічне розширення, темної матерії і фундаментальні теорії фізики.