Un homme en robe bleue se penche en avant à une table, sa main tendue pour toucher un globe céleste, tandis que la lumière du soleil provenant d'une fenêtre à plomb éclaire les plis de la nappe à motifs et le livre ouvert devant lui. La profession du sujet est marquée par le globe et un livre scientifique, identifié comme les Institutiones Astronomicae Geographicae d'Adriaan Metius, ouvert à un passage incitant à l'inspiration divine. Une peinture de la Découverte de Moïse est accrochée au mur, un détail qui a été interprété comme un symbole de connaissance et de science.

Les représentations de scientifiques étaient un sujet favori dans la peinture néerlandaise du XVIIe siècle, et L'Astronome appartient au mouvement baroque. Des études techniques ont montré que la toile de cette œuvre et celle de Le Géographe de Vermeer provenaient du même rouleau de tissu, confirmant leur relation étroite.