Teorijska astronomija koristi širok spektar alata koji uključuje analitičke modele i računarske numeričke simulacije. Svaki od ovih modela ima svoje prednosti i mane. Analitički modeli proseca generalno su najbolji za uvid u suštinu onoga šta se dešava. Numerički modeli mogu otkriti postojanje fenomena i efekata koji na drugi način ne mogu da se vide.
Teoretičari u astronomiji nastoje da stvore teorijske modele i shvate šta bi bili njihovi posmatrani rezultati. Ovo pomaže posmatračima da traže podatke koji mogu da potvrde ili pobiju model ili da pomognu u odabiru između nekoliko alternativnih ili sukobljenih modela. Teoretičari takođe pokušavaju da stvore ili izmene modele uzimajući u obzir nove podatke. U slučaju nedoslednosti, osnovna tendencija je da se pokuša sa pravljenjem minimalnih modifikacija modela kako bi odgovarao dobijenim podacima. U nekim slučajevima, velika količina nedoslednih podataka vremenom može dovesti do potpunog odbacivanja modela.
Teme kojima se bave teoretičari u astronomiji su: zvezdana dinamika i evolucija; formiranje galaksija, strukture velikih razmera materije u svemiru; poreklo kosmičkih zraka; opšta relativnost i fizička kosmologija, uključujući kosmologiju struna i fiziku astročestica. Opšta teorija relativnosti služi kao alat za merenje svojstva struktura velikih razmera kod kojih gravitacija igra značajnu ulogu u fizičkim pojavama koje se izučavaju i kao osnova za (astro)fiziku crnih rupa i proučavanje gravitacionih talasa.
Tamna materija i tamna energija su trenutno među vodećim temama u astronomiji, i trenutno su to samo teorijski modeli nastali tokom proučavanja galaksija pri pokušaju da se objasne određeni posmatrački podaci.
Neke široko prihvaćene i proučavane teorije i modeli u astronomiji, sada uključeni u Lambda-HTM model su model Velikog praska, inflacija svemira, tamna materija i fundamentalne teorije fizike.