粒子天体物理学（particle astrophysics）是粒子物理学和天体物理学之间的交叉学科。

宇宙的知识大多来自光子，而其他高能粒子诸如宇宙线、中微子和可能的暗物质、反物质的陌生粒子，也携带着重要信息。宇宙线是被超新星激波和其他高能现象加速的相对论性粒子。它们在星际介质的电离、加热和加压以及高能光子的产生中起着重要作用。典型的宇宙线具有与其静质能相比较的动能，但多数高能宇宙线所具有的能量要大近1万亿倍。迄今尚不了解这些超高能宇宙线的本质和起源。

在太阳一类恒星的内部、在超新星爆发中、在可能的γ射线暴和在超大质量黑洞周围发生的核反应都可产生中微子。多数现有的中微子探测器都是设计研究来自太阳的相对低能的中微子，并且主要集中于研究中微子物理。欧洲和美国正在实施的几个项目是为了搜寻能量更高的中微子。美国项目南极μ子和中微子探测器陈列（AMAND A）用南极一大块地表下的冰来探测中微子；一项大得多的后随实验冰方计划亦已经提出（见中微子天文学）。

一些搜寻陌生暗物质粒子的实验也正在进行或将要开始。在美国轴子实验刚刚开始了对于轴子粒子的搜寻，而低温暗物质搜寻Ⅱ项目则有望成为迄今搜寻弱相互作用大质量粒子WIMP最灵敏的实验。这些实验对于天体物理学和物理学同样重要，因为如果不了解宇宙中主要物质形式的本质，则对于宇宙的了解就太不完全。

宇宙学中最基本的问题之一是宇宙中物质和反物质之间是否对称。太阳系、银河系由普通物质组成，银河系外反物质的实验上限还没有定论。将在国际空间站上进行的大型超导磁谱仪实验，有可能对是否存在反物质作高灵敏度的研究。