Un uomo in una veste blu si inclina in avanti su un tavolo, con la mano tesa per toccare un globo celeste, mentre la luce del sole che entra da una finestra a piombo cattura le pieghe della tovaglia decorata e il libro aperto davanti a lui. La professione del soggetto è segnata dal globo e da un libro scientifico, identificato come Institutiones Astronomicae Geographicae di Adriaan Metius, aperto su un passo che esorta a cercare ispirazione da Dio. Un dipinto della Trovata di Mosè è appeso al muro, un dettaglio che è stato interpretato come un simbolo di conoscenza e scienza.

Le raffigurazioni di scienziati erano un soggetto preferito nella pittura olandese del XVII secolo, e L'Astronomo appartiene al movimento barocco. Studi tecnici hanno dimostrato che la tela di quest'opera e quella di Vermeer, Il Geografo, provengono dallo stesso rotolo di stoffa, confermando la loro stretta relazione.