天文学（てんもんがく）とは、天体や天文現象など、地球外で生起する自然現象の観測、法則の発見などを行う自然科学の一分野。地球科学や物理学の一分野とされることもあり、位置天文学・天体力学・天体物理学などから構成される。
天文学は今日においてはその中の諸分野が著しく専門化している学問である。
位置天文学は天体の位置を、天体力学は天体の運動を研究する学問で、天文学の中でも古典分野とみなされている。
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それに対し天体物理学は天文学の近代分野とみなされており、天体の物理状態や進化を研究する学問である。宇宙物理学は、天文学で観測した天体のふるまいを物理学的に解明しようとする学問である。天文学のほとんどの分野は物理学を前提として成り立っており（天体力学も物理学の一分野であるニュートン力学を基礎としている。但し位置天文学は物理学より数学との結びつきが強い）、観測結果は物理的に説明されることがほとんどである。そのため、天体物理学と宇宙物理学は非常に近い意味で使われている。
天文学は、数ある科学のなかでもアマチュアが活発に活動している数少ない分野である。特定の天体を追跡したり、彗星や小惑星などの新たな星を発見するといった、様々な形でアマチュアによる活動が行われている。