天体物理专业主要研究方向：宇宙大尺度结构和宇宙学框架下的星系形成，包括暗物质、暗能量的研究；高能天体物理，包括黑洞吸积理论、喷流形成、活动星系核、黑洞X射线双星以及伽马射线暴等方面的研究；星团、星系以及银河系的结构和演化研究。研究方法包括解析、数值模拟、以及观测数据的分析。星系和宇宙学研究中心是目前国内研究实力最强的研究中心之一，获得了很多具有国际影响力的重要成果。
VLBI天体物理的研究在国内具有领先的优势，我台拥有国内最早用于VLBI观测的佘山25米射电望远镜，是国际VLBI网的重要成员，长期从事对活动星系核致密结构的VLBI观测研究，近年来在银河系中心黑洞、银河系旋臂结构和动力学研究领域取得了具有国际影响力的成果。