ガンマ線の観測により行われる天文学。熱的過程からは、エネルギーが足りないためにガンマ線は発生しない。数MeVまでのガンマ線は原子核の放射性崩壊からも発生するが、さらに高いエネルギーでは高エネルギー粒子の関与した過程から放射される。より低いエネルギーの光子とは異なり、光子の粒子的性質を利用して個々の光子を即時にとらえるタイプの検出器が観測に用いられる。地球大気による吸収のため、直接観測には人工衛星が用いられるが（コンプトンガンマ線衛星、フェルミ衛星を参照）、約100 GeV（GeV = 10⁹ eV）以上のガンマ線は大気チェレンコフ望遠鏡、約10 TeV（TeV = 10¹² eV）以上では高地の空気シャワーアレイを用いることで地上からも観測できる。2015年時点でGeV領域では3,000個を超えるガンマ線源が発見されている。