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.  

Astrofizika ir astronomijas nozare, kuru tālāk var sadalīt teorētiskā un laboratorijas astrofizikā. Teorētisko astrofiziku tālāk var sadalīt pētījumu virzienos: agrīnā Visuma pētījumi, augsto enerģiju procesi, zvaigžņu, to kopu, galaktiku un Visuma evolūcija, planētu sistēmu rašanās, starpplanētu, starpzvaigžņu un starpgalaktiku vides pētījumi un tamlīdzīgi.

Pirmais, kas parādīja, ka dabas likumi uz Zemes un ārpus tās ir vienādi, bija Īzaks Ņūtons (Isaac Newton), kura 17. gs. beigās atklātais vispasaules gravitācijas likums izskaidroja gan ķermeņu brīvo krišanu, gan trīs Keplera likumus, kas apraksta planētu kustību ap Sauli. Nākamais liels solis ir saistīts ar spektroskopijas metodēm. Viljams Vollastons (WilliamHydeWollaston) un Jozefs fon Fraunhofers (JosephRittervonFraunhofer), laužot gaismu prizmās, 19. gs. sākumā novēroja Saules un vēlāk citu zvaigžņu spektros tumšās līnijas, kas atbilst ķīmiskiem elementiem, no kuriem šīs zvaigznes sastāv. Izmantojot zvaigžņu spaktrus, kļuva iespējams noteikt to virsmas (fotosfēras) temperatūru, ķīmisko sastāvu un spiedienu. Savietojot to ar astrometrijas metodēm izmērīto attālumu līdz zvaigznēm, 20. gs. sākumā tika uzbūvēta Hercšprunga-Rasela diagramma (The Hertzsprung–Russell diagram, HR diagram), uz kuras kļūst redzamas dažādas zvaigžņu klases (punduri, milži un citi). 20. gs. vidū kosmiskos objektus sāka pētīt arī ar radioastronomijas metodēm. 20. gs. 60. gados tika palaisti pirmie astrofizikas pavadoņi. Pakāpeniski ar tehnoloģiskiem sasniegumiem astrofizika sāka izmantot datus arī no kosmisko objektu novērojumiem mikroviļņu, infrasarkano, ultravioleto, rentgena starojumos un gamma staros.

Kosmisko objektu un procesu izpratnei tiek aktīvi izmantoti dati no visiem elektromagnētiskā starojuma diapazoniem (radio, mikroviļņu, infrasarkanā, redzamā, ultravioletā, rentgena un gamma-staru diapazoniem), kā arī no kosmisko staru observatorijām. Tiek veikti kosmisko neitrīno un gravitācijas viļņu novērojumi. Datu analīze (īpaši radiointerferometrijā un gravitācijas viļņu novērojumos) ir ļoti komplicēta un tiek veikta ar speciāli uzbūvētām programmpaketēm un dažreiz pat datoru kompleksiem.

Lai salīdzinātu fizikālo modeļu rezultātus ar novērojumiem, bieži vien tiek veikta arī liela apjoma datormodelēšana, it īpaši kosmoloģijā.

Astrofizika tuprina atrasties aktīvās izaugsmes un attīstības fāzē. Katru gadu nāk jaunas atziņas par kosmiskiem objektiem un procesiem, kas maina vai papildina to izpratni. Īpaši aktīvi mūsdienās notiek tā sauktās tumšās ēras pētījumi (kopš kosmiskā mikroviļņu fona izstarošanas līdz kosmiskai rejonizācijai), kā arī novērojumi milimetru, terahercu un tālā infrasarkanā diapazonā, kas tikai nesen kļuva pieejams astronomiem.

Ar astrofizikas pētījumiem nodarbojas daudzi zinātniskie centri; pētījuma grupas eksistē daudzās universitātēs. Piemēram, Hārvarda-Smitsona Astrofizikas centrs (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV), Kanādas Teorētiskās astrofizikas institūts (Canadian Institute for Theoretical Astrophysics), Maksa Planka Astrofizikas institūts (Max Planck Institute for Astrophysics) Vācijā, Kavli Daļiņu astrofizikas un kosmoloģijas institūts (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology) ASV, Nacionālais astrofizikas institūts (Istituto Nazionale di Astrofisica) Itālijā, Eiropas Kosmiskā observatorija (European Space Observatory).

Astrofizikas pētījumu objekti ir Saule, citas zvaigznes, citplanētas (eksoplanētas), melnie caurumi, Piena Ceļa galaktika (Galaktika) un citas galaktikas, starpplanētas, starpzvaigžņu un starpgalaktiku vide, reliktais starojums (kosmisko mikroviļņu starojums), kā arī Visums kopumā. Astrofizikas pamata pieņēmums ir fizikālo likumu pielietojamība visur un vienmēr Visumā.

Pētījumiem tiek izmantots šo objektu elektromagnētiskais starojums visās tā daļās no radioviļņiem līdz γ-stariem, kā arī enerģētiskās daļiņas (kosmiskie stari, neitrīno). Eksistē arī vairākas gravitācijas viļņu observatorijas, taču tajās vēl nav reģistrēts neviens signāls no kosmiskiem ķermeņiem. Atsevišķu apakšnozari veido laboratorijas astrofizika, kas nodarbojas ar fizikāliem un ķīmiskiem pētījumiem un eksperimentiem, kuru rezultāti ir nepieciešami astronomisko novērojumu datu interpretācijai. Tumšās matērijas tiešās reģistrācijas eksperimentus arī var pieskaitīt pie laboratorijas astrofizikas.  Dažādu elektromagnētiskā starojuma diapazonu un daļiņu tipu novērojumu metodes ir noteiktas ar iespēju novērot kosmisko objektu signālu no Zemes virsmas, kā arī ar reģistrācijas ierobežojumiem (Visviļņu astronomija).

Teorētiskās astrofizikas pētījumi iekļauj Saules sistēmas, zvaigžņu, galaktiku izveidi un evolūciju, zvaigžņu dinamiku, Visuma lielmēroga struktūru un tā evolūciju (kosmoloģiju). Tiek pētīti arī objekti, kuru esamība Visumā nav pierādīta, piemēram, tārpejas, multivisums, kosmiskās stīgas un citi.

Tā kā dažādos kosmiskos objektos ir sastopami ārkārtīgi atšķirīgi fizikāli apstākļi (temperatūra, blīvums, ķīmiskais sastāvs), tad astronomisko novērojumu datu astrofizikālai analīzei ir nepieciešams pielietot metodes no dažādām fizikas nozarēm: klasiskās mehānikas, statistiskās mehānikas, termodinamikas, elektromagnētisma, relativitātes teorijas, atomfizikas, molekulārās fizikas, kodolfizikas un elementārdaļiņu fizikas.

Pazīstamie zinātniskie astrofizikas žurnāli ir Astrophysical Journal (kopš 1967. gada, izdevējs IOPscience), Astronomy and Astrophysics (kopš 1969. gada, izdevējs EDP Sciences), Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (kopš 1827. gada, izdevējs Royal Astronomical Society), Annual Review of Astronomy and Astrophysics (kopš 1963. gada, izdevējs Annual Reviews) un citi.

Augstus zinātniskus sasniegumus astrofizikā apbalvo ar Nobela prēmiju, Henrija Drepera medaļu, Krafūrda balvu, Kavli balvu, Grubera balvu un citām. 2017. gada Nobela prēmija tika pasniegta par gravitācijas viļņu novērojumiem no kosmiskiem objektiem, to saņēma Rainers Veiss (Rainer Weiss), Berijs Berišs (Barry Clark Barish) un Kips Torns (Kip Stephen Thorne). 2011. gada Nobela prēmija tika piešķirta par Visuma paātrinātās izplešanās atklāšanu, to saņēma Sauls Perlmuters (Saul Perlmutter), Braiens Šmits (Brian Paul Schmidt) un Adams Rīss (Adam Guy Riess). 2006. gada Nobela prēmija – par precīziem kosmiskā mikroviļņu fona novērojumiem, no kā varēja precīzi noteikt Visuma vecumu, kā arī parādīt inflācijas teorijas pareizību. Prēmiju saņēma Džons Meters (John Cromwell Mather) un Džordžs Smūts (George Fitzferald Smoot). 2002. gada Nobela prēmija – par Saules neitrīno daļiņu reģistrāciju Reimondam Deivisam (Raymond Davis Jr.) un Masatoši Košibam (小柴 昌俊, Masatoshi Koshiba), par kosmisko rentgenstaru atklāšanu - Rikardo Džakoni (Riccardo Giacconi). 1993. gada Nobela prēmija tika pasniegta par dubultpulsāra pētījumiem, kā rezultātā tika pārbaudīta Einšteina gravitācijas teorija, Raselam Halsam (Russell A. Hulse) un Džozefam Teiloram (Joseph H. Taylor Jr.). 1978. gada Nobela prēmijas daļa tika pasniegta par kosmiskā mikroviļņu fona atklāšanu Arno Penziasam (Arno Allan Penzias) un Robertam Vilsonam (Robert Woodrow Wilson). 1974. gada Nobela prēmija – par radioastronomijas tehniku pilnveidošanu (apertūras sintēze) Martinam Railam (Sir Martin Ryle) un par pulsāru atklājumu Entonijam Hjūišam (Antony Hewish). 1936. gada Nobela prēmijas daļa tika pasniegta Viktoram Hesam (Victor Franz Hess) par kosmiskā starojuma atklāšanu.