نجوم نظریه‌ای به مطالعه و تحلیل ساختار و تکامل کیهان از طریق مدل‌های نظری و ریاضی اشاره دارد. این رشته به بررسی پدیده‌های نجومی مانند سیاه‌چاله‌ها، کهکشان‌ها و انفجار بزرگ می‌پردازد و سعی دارد با استفاده از شبیه‌سازی‌ها و محاسبات، رفتار و ویژگی‌های این اجسام را پیش‌بینی کند. این نوع نجوم به‌ویژه در فهم عمیق‌تر فیزیک ذرات و ماده تاریک کمک می‌کند. نجوم نظریه‌ای به دانشمندان این امکان را می‌دهد که نظریه‌های جدیدی را برای توضیح پدیده‌های ناشناخته ارائه دهند و به توسعه علم کیهان‌شناسی کمک کند.