กลศาสตร์ท้องฟ้า (อังกฤษ: Celestial mechanics) เป็นสาขาวิชาหนึ่งของการศึกษาดาราศาสตร์ ที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของวัตถุท้องฟ้า โดยนำศาสตร์ของวิชาฟิสิกส์และกลศาสตร์ดั้งเดิม มาประยุกต์ใช้กับวัตถุทางดาราศาสตร์เช่น ดาวฤกษ์หรือดาวเคราะห์ เพื่อสร้างข้อมูลของตำแหน่งดาวขึ้น กลศาสตร์วงโคจร (Orbital mechanics หรือ astrodynamics) ก็เป็นสาขาย่อยสาขาหนึ่งในศาสตร์นี้ โดยมีเป้าหมายในการศึกษาเกี่ยวกับวงโคจรของดาวเทียมที่มนุษย์สร้างขึ้น