Un hombre con una túnica azul se inclina hacia adelante en una mesa, con la mano extendida para tocar un globo celestial, mientras la luz del sol que entra por una ventana de plomo ilumina los pliegues del mantel estampado y el libro abierto ante él. La profesión del sujeto está marcada por el globo y un libro científico, identificado como Institutiones Astronomicae Geographicae de Adriaan Metius, abierto en un pasaje que insta a buscar inspiración en Dios. Una pintura de la Encuentro de Moisés cuelga en la pared, un detalle que ha sido interpretado como un símbolo de conocimiento y ciencia.

Las representaciones de científicos eran un tema favorito en la pintura holandesa del siglo XVII, y El Astrónomo pertenece al movimiento Barroco. Un estudio técnico ha demostrado que el lienzo de esta obra y el El Geógrafo de Vermeer provienen del mismo rollo de tela, confirmando su estrecha relación.