时域天文学是研究天体（主要是太阳系外）的性质是如何随时间改变的。这可能是由于天体的运动或自身性质的变化。一般的研究目标包括超新星、新星、耀发星、耀变体及活动星系核。在可见光波段的时域天文研究项目包括HAT-South、LSST、PanSTARRS、SkyMapper等。在射电波段，LOFAR一直在寻找射电暂现源，而脉冲星则是射电时域天文研究长期以来的研究目标之一。切伦科夫望远镜阵列、Fermi、HAWC、INTEGRAL、MAXI及Swift望远镜则搜寻天体在X射线及伽玛射线波段的变化。比如伽玛暴就是一类非常重要的高能物理过程。时域天文研究的挑战在于大量数据的储存和传输、数据挖掘技术、数据分类及数据架构。

恒星演化是研究一颗恒星随着时间的性质改变。依赖于恒星的初始质量，其生命可以从数百万年（大质量恒星）一直到上万亿年（小质量恒星）不等，显著超过宇宙年龄。所有的恒星都形成于塌缩的气体或尘埃团块，被称为星云或分子云。在数百万年间，这些原恒星慢慢达到了平衡态，成为一颗主序星。核聚变是其一生中最主要的能量来源。

初始时，能量主要由主序星核心区的氢原子聚变为氦的过程中产生。后来，随着恒星核心区的主要元素组分成为氦，类似太阳的恒星开始燃烧核心区以外的壳层中的氢。这个过程使得恒星的尺度逐渐增大，演化到亚巨星阶段，并最终成为一颗红巨星。至少具有太阳一半质量的恒星可以通过中心区的氦原子核聚变来产生能量，而更大质量的恒星则可以使更重的原子核聚变，形成一系列的同心壳层结构。一旦一颗类似于太阳的恒星耗尽了核聚变的原料，其内核会塌缩成一颗致密的白矮星，而外壳层则会膨胀成为行星状星云。比太阳质量大十倍甚至更多的恒星会形成超新星爆发，其内部的惰性铁核则会塌缩成一个致密的中子星或黑洞。

系外行星是指处于太阳系以外的行星。首个证认的系外行星是在1992年被发现。到2019年4月1日，已经有3,005个恒星系统中的4,023颗系外行星被证认，其中656个系统具有不止一颗行星。探测系外行星有很多方法。掩星测光法和多普勒光谱法发现了最多的行星，但这类方法却存在观测偏向性，它们倾向于探测到距离恒星较近的行星；因此已经探测到的85%的系外行星都在主恒星的潮汐锁定区以内。在一些情况下，一颗恒星周围会观测到多颗行星。大约1/5的类日恒星在其宜居带存在一颗地球大小的行星。假设银河系有2000亿颗恒星，其中可能存在约110亿个类地行星，如果包括围绕红矮星的行星，该数目可达400亿个。

系外行星的发现激发了人们对系外生命的探索热情。处在恒星的宜居带内的行星是研究的重点，因为可能存在地表水，而这正是地球的生命之源。对行星是否宜居的研究也需要考虑一系列的其他因素，来确定其环境是否支持生命的存在。