Astronomia gwiazdowa, mechanika nieba i astrofizyka były specjalnością naukową twórców toruńskiej astronomii i w tych też kierunkach ukształtował się profil badawczy przez nich założonego ośrodka. Astronomia gwiazdowa to dziedzina, która zajmuje się ruchami i rozmieszczeniem gwiazd w naszej Galaktyce posługując się głównie metodami statystycznymi. Profesor Władysław Dziewulski, wraz z pierwszymi uczniami, wyznaczał kierunek i tempo ruchu Słońca względem różnego rodzaju “rodzin” gwiazdowych i ruchy w Galaktyce różnych kategorii gwiazd (np.gwiazd szybkich, gwiazd podwójnych, gwiazd typu A itp.). Dużo też czasu poświęcał profesor Dziewulski badaniom ruchu i perturbacji wiekowych planetoid wywołanych działaniem planet. Pomagali Mu pierwsi asystenci-studenci Katedry Astronomii (H. Gadzikowska-Hutorowicz, H. Iwaniszewski). Tej tematyki dotyczyła też rozprawa habilitacyjna Stanisława Szeligowskiego broniona w 1947 roku. Później uczestniczyli w tych badaniach S. Gąska i T. Boenigk, którzy uzyskali doktoraty w dziedzinie mechaniki nieba jeszcze pod opieką profesora Dziewulskiego. Nie było wtedy maszyn liczących – tablice logarytmiczne były podstawową pomocą naukową, a zdobyty po jakimś czasie, napędzany ręcznie, zwykły arytmometr stał się najbardziej zapracowanym instrumentem badawczym Katedry. Z biegiem czasu problemy stabilności orbit ciał układu planetarnego i statystyczne badania orbit planetoid stały się głównym przedmiotem badań Zakładu Mechaniki Nieba. Owocem tych prac było kilkadziesiąt publikacji naukowych, 6 doktoratów i 2 habilitacje.
Astrofizyka posługuje się głównie fotometrią, mierząc strumień dochodzącego do nas promieniowania ciał niebieskich i spektroskopią, rozkładając ten strumień według długości fal i badając ten rozkład i szczegóły jego struktury. Do tego rodzaju badań doskonale nadawał się teleskop Drapera i program badawczy Katedry Astrofizyki został dopasowany do jego możliwości. Dość długa seria prac magisterskich i doktorskich dotyczyła dwubarwnych badań fotometrycznych różnych obszarów nieba. Z fotometrii fotograficznej, na podstawie własnych, zebranych w Piwnicach, materiałów obserwacyjnych wnoszono o strukturze Drogi Mlecznej w wybranych polach (C. Iwaniszewska, R. Ampel, S. Grudzińska, A. Lisicki, H. Iwaniszewski, H. Hutorowicz) i o zmienności różnych gwiazd zmiennych, w tym gwiazd typu RR Lyrae (m.in. A. Burnicki, T. Boenigk, J. Hanasz, A. Stawikowski, A. Woszczyk). Dla tych ostatnich W. Iwanowska wcześniej odkryła spektroskopowe różnice związane z przynależnością do różnych populacji, wskazujące na dwudzielność tej grupy gwiazd uważanej za jednorodną. Należało więc przesunąć punkt zerowy skali relacji “okres-jasność absolutna”, i w konsekwencji to odkrycie stanowiło poważny argument dla podwojenia skali odległości we Wszechświecie, co rzeczywiście się dokonało w początku lat pięćdziesiątych. Prowadzono też analizę spektrofotometryczną rożnych grup gwiazdowych w aspekcie uchwycenia spektroskopowych kryteriów ich różnej przynależności populacyjnej. W długiej serii prac W. Iwanowska z szeregiem współpracowników, magistrantów i asystentów poszukiwała statystycznych wskaźników przynależności populacyjnej różnego rodzaju “rodzin” gwiazdowych i mgławic planetarnych.
Uruchomienie w Piwnicach teleskopu Schmidta-Cassegraina zintensyfikowało badania spektrofotometryczne. Głównym programem obserwacyjnym tego teleskopu było opracowanie spektrofotometrycznego katalogu gwiazd Drogi Mlecznej i okolic bieguna galaktycznego w dwóch dyspersjach, stosownie do posiadanych pryzmatów obiektywowych (pracowali na tym m.in. R. Głębocki, J. Smoliński i A. Strobel). Niejako w “wolnym czasie” prowadzono obserwacje spektrofotometryczne wybranych gwiazd osobliwych, np. węglowych, nowych, a nawet komet (m.in. oprócz w/w również A. Burnicki, J. Krempeć, A. Woszczyk). Kanadyjski spektrograf szczelinowy ukierunkował badania na spektrofotometrię gwiazd osobliwych, najpierw magnetycznych gwiazd Ap (A. Burnicki, J. Gertner, M. Muciek, A. Woszczyk, D. Zarembina), później obserwowane były m.in. gwiazdy nowe i gwiazdy symbiotyczne (J. i M. Mikołajewscy i inni). Użycie teleskopu Schmidta do bezpośrednich zdjęć nieba w okresie powrotu komety Halley’a wykazały jego znakomitą jakość optyczną i przydatność do pomiarów astrometrycznych. Przy okazji odkryto kilka asteroidów.
Staże toruńskich astronomów w ośrodkach zagranicznych zaowocowały rozszerzeniem palety badań macierzystego ośrodka. Długoterminowe pobyty 3 młodych pracowników w Instytucie Astrofizycznym w Liege w Belgii i we Francji (S. Grudzińska, A. Stawikowski i A. Woszczyk) wprowadziły do Torunia trwającą do dziś tradycję badań kometarnych. S. Gorgolewski przez rok specjalizował się w badaniach radioastronomicznych w Cambridge i zaszczepiał później w Toruniu radiowe badania Słońca i nowe idee instrumentalne. Później, jego śladem do MRAO w Cambridge jechał A. Kus, do MPIfR w Bonn – A. Wolszczan, a do NRAO w USA – Z.Turło. Zaowocowało to nowymi stopniami naukowymi, programami badawczymi i nowymi instrumentami, co procentuje we współczesnych badaniach radioastronomicznych. W USA odbywali też staże A. Stawikowski, A. Woszczyk, A. Strobel ; w Kanadzie J. Smoliński i J. Krełowski. Badania atmosfer gwiazdowych, materii międzygwiazdowej i atmosfer planetarnych weszły, lub zostały pogłębione, w planach badawczych w Toruniu. Przyjeżdżali też do nas astronomowie z całego świata. Odbyły się w Toruniu Nadzwyczajny Kongres Międzynarodowej Unii Astronomicznej (1973) oraz 4 inne specjalistyczne sympozja pod patronatem tej organizacji (w latach 1973, 74, 76 i 87) i kongres Europejskiego Towarzystwa Astronomicznego (1993).
Przeszło 400 publikacji naukowych, 150 astrofizycznych dyplomów magisterskich, 25 doktoratów i 14 habilitacji wychowanków toruńskiego ośrodka ze specjalnością “astrofizyka obserwacyjna”, 10 doktoratów i 2 habilitacje radioastronomiczne to plon astrofizycznych zakresów naszej działalności naukowo-dydaktycznej w okresie do ostatniej reformy organizacyjnej.