Um homem em uma túnica azul se inclina para frente em uma mesa, com a mão estendida para tocar um globo celestial, enquanto a luz do sol de uma janela de chumbo ilumina as dobras da toalha de mesa estampada e o livro aberto à sua frente. A profissão do sujeito é marcada pelo globo e um livro científico, identificado como Institutiones Astronomicae Geographicae de Adriaan Metius, aberto em uma passagem que insta a inspiração de Deus. Uma pintura da A Encontrar de Moisés está pendurada na parede, um detalhe que foi lido como um símbolo de conhecimento e ciência.

Retratos de cientistas eram um tema favorito na pintura holandesa do século XVII, e O Astrônomo pertence ao movimento Barroco. Estudos técnicos mostraram que a tela desta obra e a O Geógrafo de Vermeer vieram do mesmo pedaço de tecido, confirmando sua estreita relação.