Ved Institutt for teoretisk astrofysikk drives det teoretisk og eksperimentell forskning innenfor astronomi og astrofysikk. Det meste av virksomheten innen faget i Norge foregår ved instituttet. Hensikten med forskningen er å oppnå en forståelse av himmellegemenes virkemåte og universets oppbygning. Det særegne ved faget er at objektene som studeres ikke «kan tas på», slik at en må utarbeide metoder for å forstå hva som foregår ved fjernmåling. Hovedvekten av forskningen ved instituttet ligger på sol- og stjernefysikk, men det er også grupper som arbeider med celest mekanikk og kosmologi. Tematisk kan virksomheten grupperes i Kosmologi og ekstragalaktisk astronomi, Sol- og stjernefysikk og Celest mekanikk og planetsystemet.

Internasjonalt samarbeid er meget viktig og instituttet har gode kontakter med flere utenlandske universiteter og forskningsinstitusjoner. Observasjonsdata kommer til instituttet fra teleskoper og instrumenter i rommet samt fra bakkebaserte observatorier i utlandet. Norges medlemskap i ESA (European Space Agency) har betydd mye for instituttets rombaserte virksomhet, som stadig øker i omfang. Gjennom nordisk samarbeid om et stjerneteleskop (2.5m) på La Palma, har instituttets forskere fått tilgang til optiske observasjonsdata av verdensklasse.

Instituttet har en unik posisjon i nasjonal sammenheng. Astrofysikk er et populært fagområde, og instituttet får daglig henvendelser fra publikum, presse og populærvitenskapelige tidsskrifter.

ESA's og NASA's store romobservatorium «Solar and Heliospheric Observatory» (SOHO) har nå vært i drift i halvannet år. Norske forskere deltok sterkt i forberedelsene til SOHO og har i stort omfang benyttet observatoriet i det første driftsåret.

Instituttet har arbeidet frem en gruppe som spesialiserer seg på numeriske beregninger av dynamiske fenomen i den ytre delen av solatmosfæren. Dette er det område på solen der magnetfeltet begynner å spille en avgjørende rolle for mange prosesser. Fenomener knyttet til solens magnetfelt er blant de viktigste med tanke på koblingen til jordens klima, men dette er også de fenomenene som er dårligst forstått blant forskere i dag.

Utnyttelse av «Nordisk Optisk Teleskop» har vært primært rettet mot måling av såkalte gravitasjonslinser. Tyngdekraften fra galakser kan bli så stor at lyset fra bakenforliggende kvasarer blir bøyd slik at vi kan observere to eller flere bilder av samme kvasar. Ved hjelp av simuleringer av gravitasjonslinser har forskere ved instituttet vist at man kan bruke disse til å observere effekter fra planeter, selv om de er på kosmolgiske avstander, det vil si i fjerne galakser.