天体物理实验数据大多数是依赖观测电磁辐射获得。比较冷的星体，像星际物质或星际云会发射无线电波。大爆炸后，经过红移，遗留下来的微波，称为宇宙微波背景辐射。研究这些微波需要非常大的无线电望远镜。太空探索大大地扩展了天文学的疆界。由于地球大气层的干扰，红外线、紫外线、伽马射线和X射线天文学必须使用人造卫星在地球大气层外做观测实验。
光学天文学通常使用加装电荷耦合元件和光谱仪的望远镜来做观测。由于大气层会干涉观测数据的品质，还必须配备调适光学系统，或使用太空望远镜，才能得到最优良的影像。在这频域里，恒星的可见度非常高。借着观测化学频谱，可以分析恒星、星系和星云的化学成份。
理论天体物理学家及实测天体物理学家分别扮演这门学科当中的两大主力研究者，两者专业分工。理论天体物理学家通常扮演大胆假设的研究者，理论不断推陈出新，对于数据的验证关心程度较低，假设程度太高时，经常会演变成伪科学，一般都是天体物理学研究者当中的激进人士。实测天体物理学家通常本身精通理论天体物理，在相当程度上来说也有能力自行发展理论，扮演小心求证的研究者，通常是物理实证主义的奉行者，只相信观测数据，经常对理论天体物理学所提出的假说进行证伪或证实的活动，一般都是天体物理学研究者当中的保守人士。