Астрономическое отделение факультета — один из крупнейших в мире (и один из пяти в России) центр подготовки астрономов. Необычной особенностью отделения является то, что оно входит в состав математико-механического факультета (обычно астрономические кафедры располагаются на физических факультетах университетов), однако это способствует улучшению подготовки астрономов университета в области математики и программирования, что немаловажно для развития исследований в области астрометрии, небесной механики и теоретической астрофизики. С другой стороны, астрономия, будучи самостоятельной физико-математической наукой, всегда была теснейшим образом связана с математикой (в этой связи интересно отметить, что из изображенных на фасаде здания факультета девяти крупнейших математиков разных стран и времен — четыре астронома, а еще трое оставили заметный след в том числе и в астрономии).

Возможно, благодаря этому петербургская (ленинградская) школа теоретической астрофизики, созданная академиками В.А.Амбарцумяном и В.В. Соболевым, является признанным мировым лидером в области теории переноса излучения, чрезвычайно важной для обработки и интерпретации любых астрономических наблюдений, но в то же время и чрезвычайно математически сложной. Существенную роль в развитии науки играют теоретические исследования сотрудников отделения в области физики межзвездной среды, физики галактик, космологии и других областях. Впрочем, результаты, полученные астрофизиками-наблюдателями отделения, также чрезвычайно важны. Открытие межзвездной поляризации и поляризации излучения Крабовидной туманности В.А. Домбровским входят в число крупнейших результатов наблюдательной астрофизики за всю историю ее существования. Результаты, полученные в последние годы при наблюдениях вспышек сверхновых, квазаров переменных звезд, необычных структур в других галактиках и т.д., пользуются всемирной известностью.

На кафедре небесной механики велись и ведутся исследования в области собственно небесной механики, теории фигур равновесия небесных тел и звездной динамики. Результаты, полученные профессорами М.Ф. Субботиным, К.Ф. Огородниковым, Т.А. Агекяном и их учениками, позволили решить многие задачи эволюции планетных систем, динамики кратных звезд и т.п. В последние годы круг задач, решаемых специалистами по небесной механике, существенно расширился. Кроме прикладных задач — развитие космонавтики требует все более совершенных методов вычисления траекторий космических аппаратов — появились и новые научные задачи, связанные с обнаружением планет у других звезд (первая такая планета была открыта в 1995 г., а сейчас их известно более четырехсот). Еще одним важным и интересным циклом проблем являются задачи, связанные с т.н. «астероидной опасностью» - обнаружением астероидов, которые могут столкнуться с Землей в обозримом будущем.

Сохранившая традиционное название кафедра астрономии занимается астрометрией. Эта область астрономии, занимающаяся задачами координатно-временного обеспечения, одновременно является и самой старой (фактически астрометрию, возникшую вместе с появлением у человечества задач навигации и определения времени, можно считать самой первой наукой вообще), и самой быстроразвивающейся сейчас. Задача определения координат некоторого небесного тела, казалось бы, проста по постановке, однако в том случае, если положение объекта требуется определить с точностью до одной миллионной угловой секунды (для сравнения — под таким углом монета достоинством в 1 рубль видна с расстояния, в 10 раз большего, чем расстояние от Земли до Луны), то подобное определение требует анализа и учета громадного числа факторов — от скоростей, с которыми телескопы движутся по поверхности Земли из-за перемещения материковых плит, до искривления пространства, в котором распространяется излучение.

Таким образом, студенты Астрономического отделения могут специализироваться во всех областях современной астрономической науки. Выпускники Астрономического отделения работают в астрономических учреждениях Санкт-Петербурга – Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН, Институте прикладной астрономии РАН, Астрономическом институте Санкт-Петербургского университета, а также в других институтах и обсерваториях России. Немалое количество выпускников работают за рубежом: в Германии, США, Франции, Швеции, Австралии, Финляндии, Италии, Польше и других странах.