天文学上的“黑洞”，并不是指野外的黑洞，而是指一种特殊的天体。一般认为，“黑洞”是恒星演化后期的产物之一。
早在十八世纪时，法国著名科学家拉普拉斯（1749～1827）按照牛顿力学曾经提出，可能有一种质量很大的天体，它的引力大得连光线也无法射出来，因而是看不见的，后来的研究者，根据爱因斯坦的广义相对论推论出质量为M的天体存在一个临界半径R，在R里面引力强大到使光线都不能发射出来。这种天体被人称为“黑洞”。
黑洞的半径R为：
Rc=2GMC2
式中M为天体的质量，G为万有引力常数，C为光速。这个R称为黑洞的“引力半径”，或称为史瓦西（德国科学家，1873～1916年）半径。一个天体，如果它的半径缩小到史瓦西半径以下，就成为“黑洞”了。
由引力半径的表达式可以知道，由于分母是光速的平方，光速是每秒钟约30万千米：3X10lo厘米，分母数值高达9X1020.天体要形成黑洞的话，一定是很小的。例如，我们太阳（质量为地球的33万倍）的直径约130万千米，如果压缩成半径3千米的球，它就成为一个“黑洞”。而我们的地球如压成3毫米大小的微粒，也就成为“黑洞”了。
黑洞的巨大引力，会使它周围的一切物体都被吸入，因此，它是一个“无底洞”。而任何物体，无论是人，还是动物，或是火车、汽车，一旦落入黑洞，就被黑洞内部引力场所摧毁。在黑洞内部不存在任何类型的物质结构。黑洞仅有质量、电荷自转的差别，在其他方面无差别。黑洞的这个特性，有时就称为“黑洞无毛发定理”。毛发是比喻性的。从毛发的颜色、长度、类型，可以区别不同的人。因此毛发可作为人的一种特征。黑洞是“光秃秃”的圆球。
黑洞有自转运动，因而有角动量。黑洞可能有电荷，但不清楚是带正电还是带负电。但无论如何，黑洞只要有电荷，它对外界，就有电磁的作用。电磁的同性相斥、异性相吸的特性是普遍存在的。
黑洞还有一个特点，那就是英国著名科学家霍金提出的：两个黑洞可以相碰，合成一个黑洞，其合成的黑洞视界面积（即表面积）一定不小于原先两个黑洞视界面积之和；但是一个黑洞不能分成两个黑洞。这称为“黑洞面积不减定理”。就是说黑洞在变化中，视界面积只能增加，不能减小。
更令人惊奇的是，黑洞还会“蒸发”。这个概念也是霍金于1974年提出的。“蒸发”就是一种量子辐射。计算表明，相当于一个太阳质量的黑洞，“蒸发”掉的时间约1066年。这个数字比已知最古老天体的年龄要大不知多少倍。因此可以认为，恒星级的黑洞（虽然有量子辐射）的大小几乎没有变化。
黑洞不发光，所以用光学望远镜不能观测到它，但是黑洞有强大的引力，可以对它邻近的天体发生作用，而被我们间接发现。
1970年“自由号”卫星及1978年“爱因斯坦X射线天文台”卫星上天以后，发现了许多X射线源是双星。人们认为这些X射线双星很可能包含了黑洞。
最引人注意的有天鹅座X-1，圆规座X-1与天蝎座V861等。
天鹅座X-1是一颗极特殊的X射线双星，主星是一颗蓝色超巨星（编号为HDE226868），视星等为9等，表面温度为25000开，质量约为30个太阳质量。
此双星系统的绕转周期为5.6天，但是伴星则未见到。天鹅X-1的X射线强度不断发生快速变化，变化的时标从1毫秒到几十秒。强度变化十几倍。由此推知射线源的直径必定小于1000千米，那就是一个很小的射线源。
光谱分析发现，从主星有物质流向不可见的伴星区域，而伴星的质量至少为6个太阳质量（另一种估计为10～15个太阳质量），已超过中子星的极限质量，被认为是一个黑洞。
高温的大量物质很快地挤到黑洞周围的薄盘（称为“吸积盘”），猛烈摩擦产生高温而发射出X射线。吸积盘的半径约为160万公里，而X射线是从离黑洞只有3000公里处的吸积盘内边缘发射的。
从观测到理论都确认，天鹅座X-1是一个黑洞。但是持谨慎态度的科学家却认为，还应当进一步研究确定。还有其它一些黑洞的候选者。比较而言，它们是黑洞的可能性都不如天鹅座X一1.
上面介绍的是恒星级的黑洞，那么星系级的，甚至更大的黑洞有没有呢？
早就有人提出，在我们银河系核心有大黑洞，估计这个黑洞的质量约为一亿个太阳质量。它在吸积周围的气体物质时，会辐射强大的无线电波与红外光。对银心方向的观测，的确发现有这些辐射。但是从银心方向来的电波与红外光，也可以用别的因素来解释，所以银河系核心大黑洞仍是个悬案。
在河外星系，特别是在活动星系核中，也可能存在大质量的黑洞。
奇妙的黑洞，仍然是当代天文学上的重大研究题目。