Studijski program doktorskih studija se sastoji od jednosemestralnih izbornih predmeta i tzv. samostalnog istraživačkog rada (SIR) za koji je predviđena aktivna nastava sa brojem časova većim od 20 časova nedeljno. Studijski program može uključivati i praktični rad na renomiranim institucijama kod nas i u inostranstvu. Završava se odbranom doktorske disertacije.

Doktorske akademske studije studijskog prorama ASTRONOMIJA I ASTROFIZIKA predstavljaju prirodni nastavak prethodnih osnovnih i master akademskih studija matematike. Čitav program studentu pruža celovito obrazovanje i sposobnosti i veštine koji ga osposobljavaju za samostalan i kvalitetan naučnoistraživački rad. Program je usaglašen sa evropskim standardima u pogledu koncepta doktorskih studija ne samo kao istraživačkog rada već kao celovitog obrazovnog procesa. Pored toga program ispunjava i ostale evropske standarde u pogledu uslova upisa, trajanja i ocenjivanja studija, načina studiranja i izrade doktorske disertacije.

Doktorati iz oblasti astronomskih nauka se na Matematičkom fakultetu brane od 1958. godine, kada je odbranjen prvi doktorat. Kurikulum doktorskih studija je baziran na dugogodišnjem iskustvu Fakulteta uz podršku vrhunskih naučnika sa Astronomske opservatorije u Beogradu, svakako usklađen i sa najnovijim saznanjima i ostvarenjima iz astronomskih nauka u svetu. Studije su bazirane na velikom iskustvu i kompetenciji nastavnika u rukovođenju pri izradi doktorskih disertacija. U ustanovi je do sada odbranjeno oko 500 doktorskih disertacija. Velika većina doktorskih disertacija je obavezno kao rezultat imala minimalno dva naučna rada objavljena u naučnim (domaćim ili međunarodnim) časopisima, a u poslednje vreme (u zadnjih 15- ak godina) ti radovi se objavljuju u međunarodnim časopisima (sa SCI liste). Osim toga u ustanovi je odbranjeno preko 800 magistarskih teza iz matematike i 95 iz mehanike, koje su takođe za rezultat imale objavljivanje obavezno jednog naučnog rada u međunarodnim časopisima. Najveći broj nastavnika se usavršavao, a jedan broj nastavnika je i predavao na inostranim univerzitetima.

Studijski program Astronomija i astrofizika, doktorske studije, studentima pruža obrazovanje iz oblasti astronomskih nauka, od razvoja fundamentalnih znanja iz astronomije i astrofizike, uz razvoj veština is sve značajnije ekspazivne grane astroinformatike. Astronomija i astrofizika se bave izučavanjem svih elemenata u Univerzumu, od Sunca i Sunčevog sistema, preko zvezda i međuzvezdane materije, do galaksija i kvazara. U tome primenjuje sve grane fizike, snažno se bazira na fundamentalnoj matematici i modernoj informatici, a dotiče se i naprednih tehnologija budući da svi astrofizički eksperimenti, po svom dizajnu pomeraju granice razvoja tehnologije. Posebno ističemo da usled dinamičnog razvoja računarskih resursa i novih posmatračkih tehnologija došlo je do informacione revolucije u astronomskoj nauci iz koje je iznikla astroinformatika, koja predstavlja sinergiju dve naučne discipline – astronomije i informatike.

Svrha programa je da studentima obezbedi napredna znanja iz savremenih grana astronomskih nauka, a time i kompetencije za rad u razvojnim institucijama, naučnim institutima, visokoškolskim obrazovnim institucijama, i u svim ostalim ustanovama u kojima se iskaže potreba za ovim profilom stručnjaka. Znanja i veštine koje obezbeđuje studijski program doktorskih studija astronomije i astrofizike je specifičan i u skladu je sa visokim standardima koje takav naučni stepen mora da zadovolji. Doktori astronomije su stručnjaci koji dobro poznaju teoriju i naučne principe, obučeni su da koriste najsavremenije metode za analizu i rešavanje problema, kao i za prikazivanje dostignuća savremene matematike. Po završetku studija, student je osposobljen da radi: kao nastavnik na univerzitetu, kao istraživač u naučnim ustanovama, u programerskim firmama, u industriji ili u finansijama, jer ima jako dobru podlogu u informacionim tehnologijama.

Ciljevi studijskog programa doktorskih studija ASTRONOMIJA I ASTROFIZIKA:

• Sticanje naprednih znanja iz oblasti astronomskih nauka, a posebno specifičnih znanja značajnih za izabranu oblast. Izuzetno napredno poznavanje i razumevanje usvojenih sadržaja.
• Ovladavanje naprednim veštinama kao što su: rešavanje zadataka koji produbljuju naprednija znanja, otkrivanje novih situacija i primenjivanje naučenog i u njima, dobijanje originalnih rezultata i pisanje radova. Od najboljih studenata se očekuje da po doktoriranju nastave naučno-istraživački rad i da rade kao univerzitetski nastavnici. 
• Usavršavanje opšte obrazovnih i sticanje opšte kulturnih sposobnosti zanačajnih za profesiju, kao što su: sposobnost upotrebe literature i skupljanje informacija putem interneta, obrada podataka, sastavljanje tekstova i modernih elektronskih prikaza na svom i stranom jeziku u kojima se na logički povezan i jezički korektan način predstavljaju naučni ili stručni sadržaji. 
• Razvijanje radoznalosti i upornosti, kao i logičkog, analitičko-sintetičkog, induktivno-deduktivnog i za matematiku veoma značajnog apstraktnog mišljenja. 
• Razvoj opštih, naučnih, šire-stručnih i uže-stručnih sposobnosti. 
• Izgradnja profesionalnih i etičkih stavova, razvijanje kritičkog mišljenja. 
• Neprekidno usavršavanje, nastavak naučne karijere, uključivanje u naučno- istraživački rad u naučnim institucijama, obrazovnim i razvojnim ustanovama, kao i u drugim delatnostima.

Savladavanjem studijskog programa doktorskih akademskih studija studijskog programa ASTRONOMIJA I ASTROFIZIKA student stiče sledeće opšte i specifično-stručne sposobnosti:

• vlada pojmovima i zakonitostima iz programom obuhvaćenih oblasti astronomskih nauka, kao i srodnih disciplina – fizike, informatike, statistike, primenjene matematike, računarstva i slično,
• može da izvrši optimalan izbor literature za rešavanje konkretnih problema, da dobije rešenje, da obradi i prezentuje rezultate korišćenjem računara i primeni svoja znanja u praksi, 
• ume da kritički razmišlja o pojavama vezanim za svoju struku, kritički sagledava i analizira činjenice, uobličava rezultate do kojih dolazi na razumljiv način uz korišćenje savremenih vidova obrade i prikazivanja rezultata, 
• zna kako da prikazuje svoje rezultate domaćoj i međunarodnoj javnosti na razumljiv način i tako prenosi svoja znanja drugima, 
• sreman je za upis post-doktorskih studija u zemlji ili inostranstvu, 
• ume da poštuje etičke principe struke,
• spreman je za dalji samostalan naučno-istraživački rad.

Studenti doktorskih studija realizuju svoja naučna istraživanja kako na Fakultetu tako i na drugim akreditovanim univerzitetima (odseci i instituti), Matematičkom institutu SANU, i posebno sa Astronomskom opservatorijum u Beogradu sa kojima fakultet ima dugogodišnju uspešnu saradnju u naučnom radu i realizaciji naučnoistraživačkih projekata. Programi u sve većem broju postaju inter-disciplinarno orijentisani čime prate osnovne naučne tendencije u svetu.