뉴튼의 만유인력 법칙에 입각해 천체의 운동을 기술하는 학문분야. 케플러가 발견한 화성과 금성 등의 운동에 관한 법칙을 설명하기 위해 만유인력의 법칙이 도입되었는데, 태양계 천체뿐만 아니라 질량을 가진 천체에는 모두 해당되며 성단(星團)이나 은하계내의 별의 운동, 은하단 중의 은하 운동 연구에도 적용된다.

질량을 갖는 물체(천체)는 다른 물체(천체)에 일정한 작용을 한다.

여러 개의 천체가 있는 경우에도 그들의 작용을 모두 합치면 작용을 받고 있는 천체의 운동을 차례로 설명할 수 있다.

천체의 움직임을 일정한 공식을 이용해 해석적으로 기술하는 일은 대단히 어려운 문제이다.

이체(二體)만 존재할 경우에는 케플러의 법칙이 사용되듯이 이체의 운동을 완전하게 해석적으로 풀이할 수 있다.

삼체(三體)일 경우에는 초기 조건이 특별한 경우에만 해석적으로 풀이 할 수 있다.

이와 같이 특별한 예를 구하는 방법이 19세기에 활발하게 행해졌는데, 특히 프랑스의 A. M. 르장드르와 J. H. 푸앵카레와 같은 수학자가 활약했다.

또한 세 번째 물체의 영향을 이체 사이의 운동에 대한 근소한 혼란으로서 취급하는 섭동론(攝動論) 연구가 추진되었다.

이 방법은 태양계와 같이 큰 질량을 가진 천체(태양)가 있는 경우에는 유력한 연구이다.

1846년의 해왕성 발견은 종래의 각 행성에 의한 섭동량의 계산으로 설명할 수 없었던 천체의 위치를 예측함으로써 이루어진 천체역학의 커다란 성과의 하나이다.

1950년대 이후 컴퓨터의 발달과 인공위성의 발사로 천체역학의 응용범위도 넓어졌다.

달 탐사체 아폴로호의 달 착륙과 행성탐사체 보이저의 목성 · 토성 탐사 때는 천체역학이 중요한 역할을 했으며, 은하계내의 별의 운동을 기술하는 항성계 역학도 발전하고 있다.

그러나 수성의 근일점 (近日點) 이동문제에서 볼 수 있듯이 천체역학의 응용범위는 상대성이론의 영향이 적은 경우만으로 한정된다.