تستخدم الهندسة الفلكية في دراسة المجرات والنجوم من خلال تحليل البيانات المتاحة عنها، والتي تشمل الصور والمنحنيات الضوئية والمعلومات الطيفية. وتستند هذه التحليلات إلى مبادئ الهندسة الفلكية، مثل الحركة الظاهرية والحركة الحقيقية والانحراف الأحمر والموجات الكهرومغناطيسية.
وتستخدم الهندسة الفلكية أيضًا في تحديد مواقع النجوم والمجرات على السماء، وتحديد البعد والحجم والشكل والكتلة للأجسام الفلكية، وتحديد السرعات الزاوية والسرعات الشعاعية وحركاتها على السماء وفي الفضاء الخارجي.
ويستخدم علماء الفلك أيضًا الهندسة الفلكية في تحليل الأنظمة الفلكية المعقدة، مثل الأنظمة المزدوجة والأنظمة الثلاثية والأنظمة النجمية الثنائية الأيونية. وتساعد هذه التحليلات على فهم الظواهر الفلكية المختلفة، مثل الانفجارات النجمية والثقوب السوداء والأشعة الكونية والاضطرابات الفلكية الأخرى.