เคมีดาราศาสตร์ (อังกฤษ: Astrochemistry) เป็นการศึกษาองค์ประกอบทางเคมีที่พบในอวกาศ โดยมากเป็นการศึกษาในระดับที่ใหญ่กว่าระบบสุริยะ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเมฆโมเลกุล ซึ่งจะศึกษาตั้งแต่การก่อตัว การเกิดอันตรกิริยา และการสิ้นสลายลง เคมีดาราศาสตร์เป็นสาขาวิชาที่ก้ำกึ่งระหว่างดาราศาสตร์และวิชาเคมี
แนวทางการศึกษาเคมีดาราศาสตร์จะใช้กล้องโทรทรรศน์เพื่อตรวจวัดค่าคาดการณ์ต่างๆ ของวัตถุในอวกาศ เช่นอุณหภูมิและองค์ประกอบของวัตถุ นอกจากนี้ยังใช้ประโยชน์จากการใช้สเปกโตรสโกปีในห้องทดลองเคมีเพื่อแยกแยะชนิดของโมเลกุลในวัตถุทางดาราศาสตร์ (เช่น ดาวฤกษ์ หรือ เมฆระหว่างดาว) คุณลักษณะที่แตกต่างกันของโมเลกุลจะแสดงออกมาในสเปกตรัมของวัตถุนั้น
เคมีดาราศาสตร์ยังมีความเกี่ยวข้องกับสาขาวิชาฟิสิกส์ดาราศาสตร์และนิวเคลียร์ฟิสิกส์ ในการศึกษาคุณสมบัติของปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดในดาวฤกษ์ ลำดับขั้นตอนของวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ และการเปลี่ยนแปลงต่างๆ ของดาวฤกษ์ เพราะปฏิกิริยานิวเคลียร์ในดวงดาวทำให้เกิดองค์ประกอบทางเคมีขึ้นโดยธรรมชาติ เมื่อดาวฤกษ์มีวิวัฒนาการไป มวลขององค์ประกอบใหม่ๆ ที่เกิดก็เพิ่มมากขึ้น
