Teorētiskā astrofizika pēc savām metodēm ir līdzīgā teorētiskajai fizikai. Fizikālās problēmas tiek risinātas analītiski vai, ja analītiskais vai pat tuvināts atrisinājums nav iespējams, skaitliski. Pēdējā gadījumā tiek izmantotas dažādas skaitliskās metodes, ieskaitot simulācijas uz režģa un/vai fizikālo un ķīmisko procesu modelēšanu.
Daudzu kosmisko objektu un procesu vispārīgai apskatei eksistē vienkārši modeļi, kurus var analītiski atrisināt. Piemēri iekļauj agrīnā Visuma evolūciju līdz ūdeņraža rekombinācijai, daudzas zvaigžņu evolūcijas stadijas, pilnīgi jonizētās plazmas fiziku u. c. Citas novērojamās parādības ļauj tikai skaitliskās simulācijas, piemēram, Visuma lielmēroga struktūras, galaktiku kopu un atsevišķu galaktiku izveidi un evolūciju, novu un pārnovu sprādzienu sākumposmus, starpzvaigžņu gāzes struktūru un evolūciju un citus. To iemesli ir dažādu gravitācijas, hidrodināmisko un magnētohidrodinamisko nestabilitāšu dominējoša loma kosmiskā plazmā. Skaitliskās simulācijas apgrūtina tas, ka dažādu fizikālo procesu raksturīgie laika un telpas mērogi ir stipri atšķirīgi.
Ieejas dati kosmisko objektu teorētiskās astrofizikas fizikālos modeļos ir dažādi fundamentālie parametri: kodolu, atomu un molekulu enerģijas līmeņi, ātrumi pārejām starp līmeņiem, daļiņu mijiedarbības šķērsgriezumi un citi. Ar trūkstošo datu eksperimentālo noteikšanu nodarbojas laboratorijas astrofizika. Pētījumu objekti ir kosmosā esošās daļiņas, kas var būt lādētās (elektroni, protoni, joni, radikāli, molekulārie joni, kosmiskie stari) vai nelādētās (atomi, molekulas), kā arī to mijiedarbība savā starpā, ar putekļu graudiem, virsmām (lediem, minerāliem, oglekļa savienojumiem) un elektromagnētisko starojumu (galvenokārt jonizējošo: ultravioleto, vakuuma ultravioleto, rentgenstarojumu). Laboratorijās tiek modelēti arī kosmiskie apstākļi, lai saprastu kosmisko putekļu rašanās procesus un attīstību, kā arī citus kosmiskos procesus, kas notiek mazos mērogos.