研究宇宙線的性質、起源、加速、傳播、演變及其與物質相互作用的物理學分支。它是一門與粒子物理及核子物理、天體物理及宇宙學、太陽物理、地球物理及空間物理相互交叉的學科。
對宇宙線的實驗探測，研究高能宇宙線引起的粒子–核相互作用，利用產生於遠距離的宇宙線中微子來研究中微子的性質，在宇宙線中尋找未知粒子等，屬於宇宙線高能物理的範圍。尋找和觀測銀河系內或河外空間的各類能產生高能宇宙線的源(如超新星遺跡、脈衝沖星、銀河彌散源、活動星系核、γ射線暴等)，測量銀河宇宙線的成分、能譜、元素及同位素豐度，以研究宇宙線的起源、加速、在銀河系空間或星系際空間的傳播，屬於宇宙線天體物理的范圍。在宇宙線中尋找宇宙反物質粒子，尋找暗物質粒子，尋找原生磁單極子，通過觀測宇宙線研究星系際空間紅外背景光子密度等，被稱為觀測宇宙學，具有與宇宙學交叉的學科性質。研究太陽活動高能過程所發射的粒子，它們的加速和在行星際空間的傳播，它們與太陽表面及太陽大氣層中其他物理過程的相互關系，研究太陽活動對銀河宇宙線的調制等，屬於宇宙線太陽物理的范圍。研究近地空間低能宇宙線粒子的分佈及演變，它們與太陽、日地空間及地磁場的各種物理條件的相互關系，則屬於宇宙線空間物理或地球物理的范圍。見宇宙線。