天體化學是研究天體和其他宇宙物質的化學成分和過程的學科。元素和核素的起源、空間分布及其隨時間的演化，地外物質與地球的相互作用及其影響也是天體化學的重要研究內容。天體化學是地球化學和地球科學的一個分支、空間科學和天文學之間的分界線。
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1833年，瑞典化學家j.J.貝瑟利烏斯首先分析了隕石的化學成分。1858年R.W.本生和G.R.基爾霍夫開始通過光譜分析研究太陽光譜和隕石的化學成分，開創了恒星和其他地外物質的化學成分和化學演化的研究，誕生了天體化學。1917年W.D.哈金斯合成了318塊鐵隕石和125塊石隕石的化學成分，發現質量數為偶數的7種元素豐度占98.6%提出了元素豐度的偶數定律。1930年I.諾達克－塔克和W.諾達克根據大量的隕石化學成分數據，提出了元素的宇宙豐度。1937年V.M.戈德施密特，1956年h.E.修斯和H.C.尤里先后提出了元素和核素的宇宙豐度。
自20世紀50年代以來，前蘇聯和美國先后發射了一系列裝有各種探測設備的太空探測器，以分析地球的組成高層大氣、密度等都是經過精密測量的；對水星、金星、火星、木星、土星及其衛星的大氣結構和成分，行星表面的礦物成分和化學成分，行星表面撞擊坑的分布、大小、密度、相對年齡和形成歷史，行星地層分布和相對年齡，行星地質結構和熱歷史，以及行星的內部結構都得到了廣泛的探索；行星際空間的溫度、磁場、銀河宇宙射線和太陽風的通量、還測量了能譜和成分；彗星和流星的化學成分、探測了空間宇宙塵埃的成分和侵蝕特征，獲得了大量系統的科學數據，促進了天體化學的發展。
對世界各地采集的2500多塊隕石和南極采集的 11萬多塊隕石進行多學科綜合研究，是元素豐度和來源的基礎、太陽系的起源和演化、宇宙線的時空變化、生命早期的化學進化和地外物質對地球的撞擊造成了環境大災難和生物滅絕，提供了新的科學論據。
自1969年“阿波羅”自嫦娥十一號登月計劃實施以來，9次登月共取回超過 380公斤的月球巖石樣品。使人們了解月壤和月巖的礦物成分、化學成分、巖漿活動、對地月系統的內部結構和起源增加了許多新的認識；月球地形圖、地層柱狀圖、地質圖和構造圖的編制不僅使月球的地質演化歷史更加清晰，而且為比較行星學的發展奠定了堅實的基礎。
天體化學的研究方法主要包括以下三個方面：①天體樣品的實驗室研究。對于自然墜落或人工獲得的天體樣品（隕石、宇宙塵、彗星塵和月巖等）進行礦物學、巖石學和地球化學觀察、分析和測試，提供材料成分、物理性質、關于同位素年齡形成和演化的信息。②空間探測器的臨近空間探測。利用搭載各種觀測和測試儀器的空間探測器，我們可以飛近天體進行觀測和測試，獲取天體的大氣、磁場、地貌、巖石類型與分布、地質結構和內部結構信息。③空間探測器著陸探測。使用載人或無人太空探測器在天體表面著陸，并取樣實地探測大氣、表土、巖石的物理性質和成分，以及天體的熱流都是用各種地球物理方法測量的、磁場特征和內部結構等。
空間科技天文學的發展、地球科學、生物學的有機結合將推動天體化學向更大的時空尺度和更深的物質層面發展。除了對自然降落在地表的天體進行仔細研究外，太空探測器將被充分用于研究行星及其衛星、小行星、太陽系空間的彗星等天體更加系統深入“就地”研究或將樣品帶回地面進行詳細研究。探索太陽系外層空間，為天體化學的發展開辟了更廣闊的領域和前景。天體化學的發展將促進人們從整體上更深入地了解地球的形成和演化。
天體化學的研究內容可歸納如下：
太陽星云的物質來源、形成與演化
太陽系的物質主要來自太陽星云，當太陽星云凝聚時，有太陽系外的物質加入，使太陽星云的同位素組成發生變異。太陽星云中元素發生凝聚，各種礦物相的形成有先后順序。根據礦物共生組合以及星云溫度、壓力變遷的歷史，提出了太陽星云元素分餾、凝聚的物理化學模式。太陽星云凝聚和吸積的結果，形成了太陽系中不同化學組成、結構和質量的各類天體。太陽系各行星處于不同的演化階段，它們的大氣層、表面特征、物理場、化學組成、地質過程和內部結構均有較大的差異。
行星化學研究
側重研究包括太陽星云中元素的分餾與各行星形成區的化學成分；行星大氣層的化學成分與演化；行星內部的化學分異及各圈層的形成過程；行星內部能源的產生、傳導與釋放；行星各種地質營力與行星的熱歷史。
比較行星學研究
以地球的研究為基礎，將地球置于太陽系的時空尺度里，對比研究各行星形成演化的共性與特性，綜合探討地球和各行星的演化規律。
小天體化學研究
小行星、彗星、隕石和宇宙塵等小天體，由太陽星云凝聚形成后，未經強烈的變質改造，因而它們的化學成分代表了太陽星云的初始成分。小天體化學研究內容主要包括：①小行星的化學類型及與隕石成因的聯系；②彗核、彗發和彗尾的化學成分、化學反應過程及其起源，收集彗星塵埃，研究太陽星云的元素與同位素組成。
隕石研究
主要包括以下幾個方面：系統研究隕石的礦物、化學成分，推演太陽星云的凝聚過程；測定同位素組成，探討太陽系的物質來源與演化序列；測定宇宙成因核素，計算隕石的輻照歷史；研究稀有氣體同位素，闡明隕石母體的熱歷史。宇宙塵埃和隕石消融型塵埃的研究，有助于探討地球與行星際空間的物質交換，論證沉積環境與速率，分析某些類型花崗巖與變質巖的物質來源。
天體年代
測定天體演化重大事件的年齡，建立天體演化的時間序列。天體年代研究提供了元素與核素以及天體演化歷史的時間標尺，如宇宙的年齡、銀河系年齡、元素年齡、太陽星云的形成與凝集年齡、太陽系各天體的固結年齡與間隔年齡、行星和衛星各演化階段和重大事件的年齡、隕石母體的形成年齡、熱變質年齡與氣體保留年齡、裂變徑跡保留年齡、碰撞破碎的宇宙線暴露年齡和落地年齡、宇宙塵的形成年齡與空間滯留年齡等（見宇宙年代學）。
星際有機分子與天體中有機質的化學演化
在碳質球粒隕石和其他類型的石隕石中，發現有多種氨基酸、烷烴、烯烴、芳烴、嘌呤和嘧啶等有機化合物，多數學者認為是太陽星云中的催化過程或放電過程的非生物合成。已證實的有50多種星際分子。天體中有機質的特征與演化的研究，為論證前生命物質的化學演化和生命起源提供了新證據。
元素的豐度與起源
研究化學元素在太陽、地球、月球、太陽系其他天體、恒星和宇宙線中的分布。元素起源理論認為，首先是宇宙核合成產生氫、氦；恒星的靜態和爆炸核合成產生一系列元素，宇宙線與星際物質的核反應形成少量輕元素。恒星的演化階段反映了元素的形成和演化過程。
宇宙線化學
研究宇宙線中元素的豐度及其隨時間的變化。宇宙線與天體物質的相互作用，形成近百種穩定和放射性宇宙成因核素。這些核素在天體中的分布與產率證明：銀河宇宙線的通量、組成和能譜在近億年來基本穩定。
天體撞擊地球引起的災變
20世紀80年代天體化學與地球化學研究的前沿領域與焦點之一是大型隕石、彗星或小行星撞擊地球，引起地表環境災變、全球森林大火、強烈酸沉降、冰期出現和生物大滅絕等全球性災變事件。世界各地的白堊系－第三系界面粘土層中發現有一系列地球化學異常：①銥等鉑族元素的異常富集，且具有地外物質的元素豐度比值，表明界面粘土層中有地外物質的加入；②碳元素的富集異常，碳多以碳灰的形式賦存在界面粘土層中，經分析發現含多種稠環芳烴，證明當時曾發生過全球性森林大火；③存在由沖擊變質而形成的柯石英和斯石英，以及由撞擊熔融濺射而沉降的微球粒；④界面粘土層的氧和碳同位素組成的突變，表征當時氣溫的驟變和大量生物的死亡，導致全球性環境災變和生物滅絕，可能是由一個直徑為10～30公里的小行星或彗星撞擊地球所產生的后果。地球歷史上多次全球性災變和生物滅絕事件，天體的撞擊可能是一個值得重視的起因。全球的 4次玻璃隕石事件、地表已發現的近百個隕石撞擊坑、1908年的通古斯撞擊事件和撞擊成礦的薩德伯里（加拿大）事件等，是天體撞擊地球引起的區域性災變事件。
