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L'astronomia è la scienza che si occupa dell'osservazione e della spiegazione degli eventi celesti. Studia le origini e l'evoluzione, le proprietà fisiche, chimiche e temporali degli oggetti che formano l'universo e che possono essere osservati sulla sfera celeste. È una delle scienze più antiche e molte civiltà arcaiche in tutto il mondo hanno studiato in modo più o meno sistematico il cielo e gli eventi astronomici: egizi e greci nell'area mediterranea, babilonesi, indiani e cinesi nell'Oriente, fino ai maya e agli incas nelle Americhe. Questi antichi studi astronomici erano orientati verso lo studio delle posizioni degli astri (astrometria), la periodicità degli eventi e la cosmologia e quindi, in particolare per questo ultimo aspetto, l'astronomia antica è quasi sempre fortemente collegata con aspetti religiosi. Oggi, invece, la ricerca astronomica moderna è praticamente sinonimo di astrofisica. L'astronomia non va confusa con l'astrologia, una pseudoscienza che sostiene che i moti apparenti del Sole e dei pianeti nello zodiaco influenzino in qualche modo gli eventi umani, personali e collettivi. Anche se le due discipline hanno un'origine comune, esse sono totalmente differenti: gli astronomi hanno abbracciato il metodo scientifico sin dai tempi di Galileo, a differenza degli astrologi. L'astronomia è una delle poche scienze in cui il lavoro di ricerca del dilettante e dell'amatore (l'astrofilo) può giocare un ruolo rilevante, fornendo dati sulle stelle variabili o scoprendo comete, nove, supernove, asteroidi o altri oggetti.

La storia dell'astronomia, probabilmente la più antica delle scienze naturali, si perde nell'alba dei tempi, antica quanto l'origine dell'uomo. Il desiderio di conoscenza ha sempre incentivato gli studi astronomici sia per motivazioni religiose o divinatorie, sia per la previsione degli eventi: agli inizi l'astronomia coincide con l'astrologia, rappresentando allo stesso tempo uno strumento di conoscenza e potere; solo dopo l'avvento del metodo scientifico si è giunti a una separazione disciplinare netta tra astronomia e astrologia. Fin dai tempi antichi, gli uomini hanno appreso molti dati sull'universo semplicemente osservando il cielo; i primi astronomi si servirono unicamente della propria vista o di qualche strumento per calcolare la posizione degli astri. Nelle società più antiche la comprensione dei "meccanismi celesti" contribuì alla creazione di un calendario legato ai cicli stagionali e lunari, con conseguenze positive per l'agricoltura. Sapere in anticipo il passaggio da una stagione all'altra era di fondamentale importanza per le capacità di sopravvivenza dell'uomo antico. Pertanto l'investigazione della volta celeste ha costituito da sempre un importante legame tra cielo e terra, tra uomo e Dio. Con l'invenzione del telescopio l'uomo è riuscito ad indagare più a fondo sulle dinamiche celesti, aprendo finalmente una "finestra" sull'universo e le sue regole. Sarà poi l'evoluzione tecnica e l'avvio delle esplorazioni spaziali ad ampliare ulteriormente il campo di indagine e le conoscenze del cosmo.

Secondo la tesi più accreditata nella comunità scientifica, la storia dell'universo si può far iniziare con un evento spiegato dalla «teoria del Big Bang» dello scienziato Georges Lemaître, successivamente supportata e sviluppata da George Gamow. Secondo tale teoria l'universo, durante la sua nascita, da un punto di infinita densità si sarebbe espanso autogenerandosi (una metafora molto usata, sebbene impropria, per descrivere questo fenomeno è quella di una colossale esplosione), questo fenomeno è detto "Big Bang" (espressione coniata da Fred Hoyle). Una delle prove a sostegno di questa ipotesi è la radiazione diffusa che ancora persiste dall'ipotetico inizio dell'universo. Lo stato della materia prima del Big Bang non è descrivibile in termini fisici, trovandosi essa in uno stato chiamato dai fisici "singolarità". Mentre le ipotesi sul futuro dell'universo variano dall'espansione illimitata ad un fenomeno oscillante di espansione-contrazione, possibile conseguenza di un universo chiuso, niente si conosce di ciò che è accaduto prima del Big Bang: probabilmente il tempo è nato in quel momento. L'interpretazione sulle origini dell'universo è una questione al confine tra scienza e filosofia: la possibilità di una validazione empirica delle varie ipotesi risulta spesso ardua se non impossibile. Alcune di queste teorie postulano cicli infiniti di morte e rinascite dell'universo, altre addirittura postulano l'esistenza non solo del nostro ma di altri universi.

L'Universo è comunemente definito come il complesso che racchiude tutto lo spazio e ciò che contiene, cioè la materia e l'energia, i pianeti, le stelle, le galassie e il contenuto dello spazio intergalattico.L'osservazione scientifica dell'Universo, la cui parte osservabile ha un diametro di circa 92 miliardi di anni luce, suggerisce che esso sia stato governato dalle stesse leggi e costanti fisiche per la maggior parte della sua storia e in tutta la sua estensione osservabile, e permette inferenze sulle sue fasi iniziali. La teoria del Big Bang è il più accreditato modello cosmologico che descrive la sua nascita; si calcola che tale evento sia avvenuto, visto dalla nostra cornice temporale locale, circa 13,8 miliardi di anni fa.La massima distanza teoricamente osservabile è contenuta nell'universo osservabile. Osservazioni di supernove hanno dimostrato che questo, almeno nella regione contenente l'universo osservabile, sembra espandersi a un ritmo crescente, e una serie di modelli sono sorti per prevederne il destino finale. I fisici sono incerti su che cosa abbia preceduto il Big Bang; molti si rifiutano di speculare, dubitando che si potranno mai trovare informazioni relative allo stato originario. Alcuni propongono modelli di universo ciclico, altri descrivono uno stato iniziale senza confini, da cui è emerso e si è espanso lo spaziotempo al momento del Big Bang. Alcune speculazioni teoriche sul multiverso di cosmologi e fisici ipotizzano che il nostro universo sia solo uno tra i molti che possono esistere.

L'eliocentrismo (dal greco ἥλιος hḕlios, sole, e κέντρον kèntron, centro) è una teoria astronomica che ipotizza che il Sole sia al centro del sistema solare e dell'universo (la distinzione fra sistema solare ed universo non è stata chiara fino a tempi recenti, ma estremamente importante nelle controversie cosmologiche e religiose), e che i pianeti vi girino intorno. L'eliocentrismo è opposto al geocentrismo, che pone invece la Terra al centro dell'universo. In realtà secondo la visione moderna della fisica non ha significato parlare del moto di un corpo senza aver prima fissato un sistema di riferimento: la scelta del sistema di riferimento è del tutto arbitraria e scelte diverse implicano descrizioni diverse del moto dei pianeti. La scelta di far coincidere l'origine del sistema di riferimento con l'osservatore terrestre è la più naturale e spontanea, d'altra parte la descrizione del moto dei pianeti e del Sole attorno alla Terra è decisamente più complicata, ragione per la quale l'eliocentrismo viene ormai universalmente accettato per descrivere i moti del sistema solare.

In cosmologia l'inflazione (dal termine inglese inflation, che ha conservato anche l'originario significato di "gonfiaggio" derivato dal latino inflatio) è una teoria che ipotizza che l'universo, poco dopo il Big Bang, abbia attraversato una fase di espansione estremamente rapida, dovuta a una grande pressione negativa. Si stima che l'inflazione sia avvenuta intorno a 10×10−35 s dal Big Bang, sia durata intorno a 10−30 s e abbia aumentato il raggio dell'universo di un fattore enorme, tra 1025 e 1030 (circa un miliardo di miliardi di miliardi di volte). L'ipotesi prevalente è che sia stata generata da un campo di energia chiamato inflatone, forse originato da uno stato instabile dovuto alla non immediata rottura spontanea di simmetria delle forze fondamentali dopo una transizione di fase quantistica; tale campo, caratterizzato da una grande energia di punto zero, avrebbe assunto il ruolo di costante cosmologica, provocando l'espansione quasi esponenziale dell'universo. Al termine della breve fase inflazionaria l'espansione sarebbe ripresa al ritmo precedente secondo la cosmologia standard.La teoria è stata proposta inizialmente da Alexei Starobinski in Unione Sovietica e contemporaneamente da Alan Guth negli Stati Uniti d'America all'inizio degli anni ottanta.