天文觀測中拍攝暗弱星像時專用的長時間曝光（幾秒鐘到幾小時，甚至更長）的底片。照相底片一般不適用互易律，即相同的曝光量（光的照度和曝光時間的乘積E×t）並不產生相同的照相密度。這種特性稱為“互易律失效”。當光照度很強或很弱時，一般底片的互易律失效特別嚴重；但天文底片在低照度時，互易律失效比較小。如果用普通的感光測定儀（曝光時間約0.05～1秒）來測定天文底片，其靈敏度並不比普通的的底片高；但用天文感光儀（曝光時間為幾十分鐘）來測定，天文底片就顯示出高得多的靈敏度。
天文底片不僅用來記錄天象，而且作為一種重要的二維輻射探測器，廣泛應用於天體光度測量和天體分光光度測量。在這些測量中，必須精確測定底片特性曲線，以便通過測定照相密度D來確定照度E，從而確定天體輻射強度。特性曲線表示出密度同曝光量對數間的關系，它同底片材料、曝光時間、顯影和定影過程有關。通常使用曲線中代表正常曝光的直線部分。直線斜率稱為γ值（也稱反差或對比度）。這個數值影響到測量的動態范圍和精度。
天文底片有顆粒粗細之分。對於輸入信噪比遠大於1的探測，例如對亮變星和用幹涉濾光器的照相等，為瞭縮短曝光時間，常采用粗顆粒、高靈敏度天文底片。對於輸入信噪比遠小於1的探測，例如對暗弱的遙遠恒星和星系的照相時，就要用顆粒細但量子效率高的天文底片。對後一種底片若采取氣體敏化措施，探測量子效率可從原來的0.1％提高到4％，望遠鏡的極限星等可以提高1～1.5等。
同光電探測器件相比，天文底片量子效率較低，響應非線性，精度低，寬容度較小。但是，它可以做成很大的尺寸（甚至大於50×50厘米2）。信息容量非其他探測器可比，而且價格便宜，並可長期保存。