利用X射线波段的电磁辐射研究宇宙的学科。由于地球大气吸收X射线，直到1960年代，当天文学家能够用火箭、气球和(终于)人造卫星将X射线探测器送到大气吸收层以上，X射线天文学才算正式起步。X射线天文学展示的宇宙，简直就是一个到处发生高能事件的猛烈场所，特别是它能够辨认出，黑洞正在吞食物质的地方，要么是几倍太阳质量的双星系统，要么是规模巨大的星系和类星体的中心。 所有这些都是1962年偶然发现太阳系外X射线源的天文学家未曾料到的。

　　太阳的X射线是用 V2火箭运载的探测器在1940年代末发现的，并用1962年美国宇航局发射的英国羚羊1号卫星上的仪器进行过研究。然而太阳的X射线十分微弱，几光年以外就探测不到(使用1960年代的探测器)，所以天文学家曾经设想寻找太阳系外 X射线源是毫无希望的。但是，1962年6月18日，里卡多·贾可尼领导的一个研究组发射了一枚携带 X射线探测器的火箭，希望用它能够检测到月球表面在太阳粒子撞击下产生的X射线。但那次火箭飞行未能获得预期X射线的任何迹象(月球被“发现”为X射线是1990年的事，用的是罗萨特卫星上的仪器)。但是，当探测器随着旋转的火箭扫描天空时，却记录到很强的X射线发射(波长0.2～0.8纳米)，它来自天蝎座的一个点源，比太阳的X射线强得多。另外，该探测器还检测到来自扫描带内所有方向的微弱X射线“噪声”背景。 理论家被这个X射线源(被命名为天蝎座X-1)的发现搞得手忙脚乱。这是一个发射能量为太阳X射线能量10^16倍的X射线星——它的X射线能量达到太阳在所有波长总辐射能量的令人吃惊的100.000倍!这一能量的来源后来被(剑桥的保罗·费尔德曼和约翰·格里宾)解释为双星系统中的中子星的吸积。到1960年代末，经过几十次火箭飞行，对宇宙累计进行了数小时X射线观测后，发现了差不多50个独立的X射线源，其中包括蟹状星云及其脉冲星、另外几个超新星遗迹、两个特殊星系，以及类星体3C 273。有些X射线探测器还搭乘过主要用于其他目的的卫星。然后，1970年12月，第一颗X射线天文卫星乌呼鲁升空，这是专门用于在X射线波段研究宇宙的轨道天文台，从此改变了X射线天文学的面貌。

　 乌呼鲁卫星(贾可尼小组的另一件产品)进行了全天空的X射线普查，其灵敏度足以探测X射线亮度不小于蟹状星云千分之一的任何源，它发现的独立X射线源超过300个，对其中很多已证认出可见的光学对应体。通过对这些天体变化的研究，证实X射线常常是双星系统中的中子星或白矮星吸积物质时产生的。少数几个源是X射线脉冲星。在1970年代初经乌呼鲁卫星研究过的双星系统中，有一个叫做天鹅座X-1，将它的X射线和光学数据综合分析后，首次得出其X射线能量来源于一个黑洞而非中子星的确切证据。 乌呼鲁卫星获得成功后，又有几个轨道X射线天文台升空。其中第一个重大进展是1978年美国宇航局发射的爱因斯坦卫星，它具有比早期X射线天文台高得多的分辨率和灵敏度。它使用了真正的 X射线望远镜，其特殊形状镜面能将辐射以掠射角反射而聚焦。它发现了数千个“新”X射线源，测绘了诸如超新星遗迹和星系团等已知源的详图。爱因斯坦卫星还证明，很多普通恒星辐射的X射线比预计的强得多，而所有类星体都发出 X射线。 星系团中星系之间气体(乌呼鲁卫星最先暗示其存在)的观测对宇宙学具有特别重要的意义。现在已经知道，X射线揭示的星系之间热气体所含的质量是所有可见星系质量总和的好几倍;X射线提供了星系团总质量的重要信息，而这种热气体的研究对作为测定宇宙膨胀速率(哈勃常数)最有前途的方法之一的苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应也是十分重要的。另见重子灾难。

　　自1970年代末以来，X射线天文学与射电天文学和光学天文学一样，详细研究了宇宙中所有类型的天体。新近的X射线卫星，如埃克索萨特、银河号和罗萨特等卫星，已经使X射线观测差不多威为常规观测。罗萨特编目了6万多个独立X射线源，并且证明，比如我们熟悉的昴星团中不单单是肉眼可见的七颗恒星(“七姊妹”)，而且有大约500颗发射大量X射线的年轻热星。更高分辨率和更高灵敏度的未来轨道天文台正在规划之中。