La astrofísica teórica es la rama de la astrofísica que busca explicar en términos físicos los fenómenos observados por los astrónomos.
En la mayoría de los casos, intentar entender las implicaciones de modelos físicos no es fácil y exige mucho tiempo y esfuerzo.
Entre los temas estudiados por la astrofísica teórica se encuentran los siguientes: La astrofísica teórica usa una gama de herramientas, que incluyen modelos analíticos y simulaciones numéricas.
Las simulaciones numéricas se usan para estudiar sistemas descritos por ecuaciones muy complicadas, lo que puede revelar fenómenos que serían imposibles de calcular a priori en forma analítica.
Algunos ejemplos de dichos procesos se pueden ver en la siguiente tabla: La materia oscura y la energía oscura son temas de actualidad en la astrofísica, debido a su descubrimiento y a la controversia generada durante el estudio de las galaxias.