Teorik astrofizik, gök cisimlerinin ve gök olaylarının fiziksel durumlarının kuramsal olarak incelenmesini ve modellenmesini konu edinen bir bilim dalıdır. Teorik astrofizikçiler, analitik modelleri (örneğin, bir yıldızın davranışlarını yaklaşık olarak temsil etmek için politroplar gibi) ve hesaba dayalı sayısal simülasyonları içeren geniş bir araç yelpazesini kullanırlar. Bunların her birinin bazı avantajları vardır. Bir sürecin analitik modelleri, neler olup bittiğine dair fikir vermek için genellikle daha iyidir. Sayısal modeller ise başka türlü görülemeyecek olan fenomenler ve etkilerin varlığını ortaya çıkarabilir.
Teorik astrofizik, gözlemsel astronomi ile birlikte uzay bilimleri alanında önemli bir rol oynar. Gözlemsel astronomi, gök cisimlerinden yayılan ışık ve diğer elektromanyetik dalgalardan yararlanarak gök cisimlerinin konumu, boyutu, sıcaklığı ve hareketleri hakkında bilgi toplamayı amaçlar. Teorik astrofizik ise bu bilgileri analiz ederek gök cisimlerinin yapısını, işleyişini ve evrimini açıklamaya çalışır. Teorik astrofizik ayrıca yeni teoriler geliştirmek için de kullanılır.
