北京大学天文学系于2000年由天体物理专业正式扩展而来，其前身是北京大学和中国科学院于1998年组建的“北京天体物理中心”。 2001年5月北京大学物理学院成立后，天文学系即隶属于物理学院。2001年底,在教育部组织的全国重点学科评审中，北大天体物理学科被评为全国重点学科。

北京大学天文学系的成立得到了北京大学和中国科学院双方领导的大力支持，办学条件得到了极大改善，并陆续从海外聘请了多名青年学者任教。联合办学使北京大学与中科院在天文学领域实现了强强联合，资源共享，产生了积极的成效。共建的天文学系拥有高水平的教学与科研条件，学术空气活跃，并对学科方向作了重要调整，以适应培养国际一流天文学家的需要。

2006年，北京大学与美国Kavli基金会正式签署合同在北京大学建立科维理天文与天体物理研究所（Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics，KIAA-PKU)，并于2008年正式运行。美国艺术与科学院院士、加州大学圣克鲁斯分校天文系著名理论天体物理学家林潮（Douglas N. C. Lin）教授担任KIAA首任所长，并在全球招聘了一批在国际上崭露头角的青年天文学者组成研究团队，KIAA正在逐步形成北大天文学科的国际交流平台和研究中心。

北京大学与天文学的关系源远流长。1920年代，蔡元培任北大校长时曾考虑建天文学系，因条件不成熟未能实现，但仍安排数学系秦汾、天文学家高鲁在北大讲授天文课。1922年中国天文学会在北京成立，高鲁和秦汾为主要发起人。1922-1930年，高鲁、蔡元培、秦汾分别任中国天文学会第一至第九届评议会会长。早期评议会会员中一半以上为北大教员。

1947年，在英国剑桥大学获天体物理博士的戴文赛先生调入燕京大学数学系任教，并为普及天文知识作过很多讲演。1952年北大设立数学力学系，戴先生也随之到该系任教，讲授天文学。1952年北京天文学会在北大成立时戴先生任首届理事长。在此后两年内，数力系曾组织过多次天文学术活动。1953年戴先生开始指导我国天文界第一位研究生易照华。因北大未建立天文学科，戴文赛1954年调南京大学，后长期担任南大天文系主任。1956年易照华从北大毕业后分配到南大任教，成为我国天体力学学科的创始人之一。

随着戴文赛先生调入南京大学，北大的天文教学随之出现空缺。1958年，北京天文台程茂兰、王绶琯、肖光甲等台领导建议北大建立天体物理专业。1960年夏，在北大副校长周培源教授和自然科学处处长陈守良教授的支持下，地球物理系系主任苏士文先生便在成立不到半年的地球物理系积极筹建天体物理专业，希望把全系的研究对象从地球深处一直延伸到广阔的宇宙空间。同年地球物理系天文专业正式成立，当时的天文专业教职员工多达30名,第一任教研室副主任为钱景奎和杨海寿（主任暂缺）。学生有40余名，分别由56、57级物理系转到应用地球物理专业的部分学生转学天文专业，并先后于1962年和1963年毕业。

文革前，天文专业发展受阻，暂停招收新生。从七十年代初期开始，天文专业的教学秩序逐步得到恢复，于1972年-1975年招收三届工农兵学员，共102人。从1978年起，随着全国改革开放政策的落实，天文专业的各项工作也正式转入正轨。从当年起，开始招收本科生和硕士研究生。除个别年份外，天文专业每年招收本科生10人左右，硕士生3-4人。1985年成立天体物理博士点，开始招收博士研究生。1999年建立天体物理博士后流动站。

1978年后，随着教学工作的稳步推进，有关的科研工作也日益兴盛起来。多数教师相继通过出国进修访问和出国观测研究等途径，较快地进入现代天文学的前沿研究领域；部分教师和实验技术人员，在参加我国组织的几次大规模天文观测研究活动中，也取得了可喜的成果。这些开放式的国内外学术活动，对于专业教师的整体素质和教学水平的提高，均起到了重要的促进作用。从七十年代以来，先后担任天体物理教研室主任的有邢骏(1978—1981)、钱景奎(1981-1984)、吴鑫基(1984-1987)、罗先汉(1987-1996)、乔国俊(1996-2000)。 自1960年至2000年在北大天文专业曾工作过的人员有：钱景奎，杨海寿，张柏荣，孙凯，周道祺，乔国俊，罗先汉，吴鑫基，邢骏，王德茂，尹其丰，彭秋和，尹宏，杨士功，李德和，齐光有，高希正，潘一因，姚德一，林蓉芳，柳振华，沈其忠，吴烈誉，孙佶，曾昭娣，刘增友，张彬，岳增元，周体健，吴林襄，刘海全，安景竹，吴月芳，方晴，邓国祥，程久恒，罗绍光，徐兰萍，仲维英，鲁希，郭玉莲，郭筱珍，赵军辉，秦争，陈浩，张坚，张华伟，徐仁新等。