在粒子物理学领域中，科学家研究构成万物的最小物质单元的性质以及它们之间的相互作用。而物理学的另一分支天体物理学则专注于创造和检验描述在浩瀚宇宙中发生一切的理论。粒子物理学和天体物理学家看似关注的是两个不同极端的现象，但从事这两个领域的科学家实际上需要互相依赖。有许多最前沿的研究都连接了这两者。
粒子物理学家和天体物理学家都在追问早期的宇宙是如何成长演化的。宇宙早期经历了一次指数式的膨胀，被称为宇宙暴胀。科学家认为在大爆炸之后，宇宙逐渐冷却，粒子开始结合形成氢原子。这个过程会释放之前被困住的光子，即组成光的基本粒子。那些光的余晖即所谓的微波背景辐射，今天仍遍布宇宙。科学家通过测量微波背景辐射的不同性质来研究大爆炸后的瞬间究竟发生了什么。
粒子物理学家和天体物理学家都在思考暗物质和暗能量。
天体物理学家想知道的是，是什么构成了早期的宇宙，又是什么组成了现在的宇宙。粒子物理学家想知道的是，宇宙中是否还有未发现的粒子和力在等待我们去寻找。暗物质存在的证据可通过其对星系和星系群里普通物质的引力效应体现。这些观测的结果表明，宇宙大约由4.9％的普通物质、26.8％的暗物质和68.3％的暗能量构成。但到目前为止，科学家仍未能直接观测到暗能量与暗物质。
粒子物理学家与天体物理学家还有一个共同的兴趣，就是对引力的研究。对粒子物理学家而言，引力是标准模型无法很好解释的一个自然界中的基本力。天体物理学家想要了解的是引力在宇宙的形成中扮演的角色。在标准模型中，每一种力都具有所谓的载力粒子或玻色子，如电磁力中的光子，强力中的胶子，弱力中的W和Z玻色子。
当粒子通过力相互作用时，它们就会交换这些载力粒子，转移少量被称为量子的信息，科学家通过量子力学来描述这些作用。