理论天体物理学家的工具包括分析模型和计算机模拟。天文过程的分析模型时常能使学者更深刻地理解内中奥妙；计算机模拟可以显现出一些非常复杂的现象或效应。大爆炸模型的两个理论栋梁是广义相对论和宇宙学原理。由于太初核合成理论的成功和宇宙微波背景辐射实验证实，科学家确定大爆炸模型是正确无误。学者又创立了ΛCDM模型来解释宇宙的演化，这模型涵盖了宇宙膨胀（cosmic inflation）、暗能量、暗物质等等概念。