天体物理研究室是上海天文台从事基础天体物理研究的主要机构，包括12个科研团组。研究室的研究方向涉及黑洞和高能天体物理、星系形成与演化、宇宙大尺度 结构、星团和银河系结构、恒星形成、以及行星天体物理等领域，在黑洞吸积与喷流理论、黑洞和星系的共同演化、银河系结构与动力学、计算天体物理等方向具有一定的国际影响力。研究室现有固定研究人员固定研究人员50名，博士后20名，研究生80名。固定研究人员中包括国家杰出青年基金获得者、优秀青年基金获得者、国家高层次引进人才，科学院高层次引进人才。
  研究室与国内外的天文研究机构有着密切的合作关系，与中国科技大学联合成立了“中国科学院星系和宇宙学重点实验室”，与厦门大学成立了天体物理联合中心，与北京大学成立了中国科学院上海天文台联合天体物理研究中心。研究室还参与了多项国际、国内天文项目和观测计划，如LAMOST、HXMT、SDSS-IV、TMT、LSST、FAST等。