宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流，是奥地利物理学家赫斯，于1911年乘气球飞到高空时首先发现的。宇宙线粒子主要是质子（约占90％），还有其他基本粒子，如正电子、中微子、μ介子、π介子、超子等。有不少基本粒子就是在宇宙线中首次发现的。宇宙线的粒子数大致与其能量的平方成反比，能量愈高，观察到的机会愈少。已观察到的超高能粒子有能量高达1021电子伏的，比目前世界上最大的高能加速器所加速的最大能量还要高20亿倍。
对宇宙线的研究，主要可分天体物理与高能物理两方面。宇宙线天体物理是用宇宙线进行天文观测，研究天体和宇宙空间的状态、组成和演化规律，研究宇宙线的起源、加速、传播和演变。按探测的对象，又可划分为X射线天文、γ射线天文、中微子天文和荷电粒子天文。
宇宙线高能物理主要利用宇宙线进行高能物理实验，研究基本粒子的结构、相互作用和相互转化规律。研究工作着重在高能加速器的能量还没有达到的区域进行，分为高能核作用、广延大气簇射、高能μ介子和中微子作用及寻找新粒子等。此外，还有宇宙线探测技术和宇宙线的应用研究，前者包括各种粒子探测器、电子学的控制、数据记录和传输、电子计算机处理技术等。后者包括预报太阳质子事件、测定高空气温、预报暴雨洪水、地质考察、测定古文物年代及军事应用等。1977年，在我国西藏海拔5500米的高山上建立了用12吨重铅板垒成的乳胶室群，这是目前世界上最高的高山乳胶室，为我国在宇宙线研究方面赶超世界先进水平打下了基础。