研究宇宙中的化學反應及其產物的交叉學科。形成大多數化學元素的原子是在恒星內部合成的，其中一部分通過星風或超新星爆發返回星際空間。與此不同的情形主要是氫和氦–4，以及少量的氘、氦–3和鋰–7產生於大爆炸後若幹秒。氫和氦大約構成星際介質中全部物質品質的98％，而其餘主要是碳、氮、氧、氖、鎂、矽、硫、氬、鐵。許多其他元素都已探測到，並可望在地球上發現。但現在能在太空觀測到的分子主要是氫、碳、氮和（或）氧的化合物。一個顯著的理由是隻有氣體形式的分子才能由其射電譜得得以可靠證認。固體物質如星際塵粒的成分隻能得到粗略表征。
星際空間的原子一旦形成就能參與化學反應，但由於條件與地球上的實驗室大不相同，以至於這些反應及其產物按“正常”化學標準往往很不尋常。某些分子諸如TiO、CN和C2足夠堅實，可存在於冷星的外層大氣中。而自由飄浮於星際空間的多數分子將被星光中的紫外輻射裂解。所以，大量星際分子被發現的地方是巨分子雲內部，因為那裡的塵埃擋住瞭恒星的紫外輻射。即使巨分子雲比一般星際物質稠密得多，按地球實驗室標準還是太稀薄。相互作用通常隻在兩個孤立的原子間進行，很難發生穩定的化學反應。如若有兩個中性氫原子相遇結合成一個分子，這個分子由於原子具有的動能將處於不穩定的高激發態。在地球條件下，它將把多餘的動能交給第三個粒子而形成穩定的氫分子。而在巨分子雲內部附近不大可能有第三個粒子，所以分子將迅速裂解回到原來的兩個氫原子。一條可能的出路是激發的氫分子輻射掉多餘的動能。但氫分子的大多數低能躍遷都是禁戒的，故這種情形不大可能發生。
當一個粒子由於同宇宙線粒子碰撞而被電離時，有可能發生穩定的化學反應。如水就可以由電離氫分子經下列反應同氧化合而成：
H 2 ＋＋H 2
H
3
＋＋
H
H
3
＋＋O
OH
+＋H
2
OH
＋＋H
2
H
2O
＋＋
H
H
2O
＋＋H
2
H
3O
＋＋
H
H
3O
+＋e
－
H
2O＋
H
一般認為，許多分子隻在巨分子雲內塵粒的表面形成。塵粒上吸收的個別原子靠得很近，使相當正常的反應能夠發生。反應中釋放的能量可將形成的分子拋回太空，或者穿過塵粒的宇宙線粒子可將塵粒加熱到足以使在它表面積累的所有分子蒸發。