จักรวาลวิทยา (อังกฤษ: cosmology) เป็นการศึกษาเอกภพโดยรวม ซึ่งนับว่าเป็นการศึกษาถึงสิ่งที่ยิ่งใหญ่ที่สุดและเป็นพื้นฐานที่สุดในเวลาเดียวกัน จักรวาลวิทยามุ่งเน้นที่จะศึกษาถึงองค์ประกอบและความสัมพันธ์ของสรรพสิ่งทั้งหลายในเอกภพ พร้อมกับพยายามที่จะอธิบายความเป็นมาของเอกภพในอดีต และทำนายความเป็นไปของเอกภพในอนาคต เอกภพเป็นอย่างไร เอกภพมีขอบเขตจำกัดหรือไม่ เอกภพเกิดขึ้นได้อย่างไร เพราะเหตุใดเอกภพจึงมีรูปร่างลักษณะอย่างที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน และอนาคตข้างหน้าเอกภพจะเป็นอย่างไร ปัญหาเหล่านี้คือสิ่งที่นักจักรวาลวิทยาทั้งหลายสนใจ
จักรวาลวิทยาในความหมายที่กว้างที่สุด จะหมายถึงการทำความเข้าใจเอกภพโดยอาศัยความรู้จากหลายสาขาวิชา ไม่ว่าจะเป็น วิทยาศาสตร์ ปรัชญา ศาสนา หรือศิลปะ แต่โดยทั่วไปในปัจจุบัน จักรวาลวิทยาจะหมายถึงการศึกษาเอกภพโดยใช้กระบวนการทางวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์ ซึ่งถือว่าเป็นสองเครื่องมือสำคัญในการใช้ศึกษาเอกภพ เป็นที่ยอมรับกันอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ว่า ยิ่งเรามีความรู้ทางด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์มากขึ้นเท่าใด เราก็จะยิ่งมีความเข้าใจในเอกภพมากขึ้นเท่านั้น
มโนทัศน์เกี่ยวกับเอกภพของมนุษย์เปลี่ยนแปลงไปตามยุคสมัย ชาวอียิปต์โบราณเชื่อว่าเอกภพประกอบด้วยโลก คือ เทพเจ้าชื่อเก็บ ซึ่งถูกโอบล้อมด้วยท้องฟ้าคือ นัท ต่อมาเมื่อชาวกรีกโบราณศึกษาท้องฟ้าและการโคจรของดวงดาวมากขึ้น เขาก็สามารถสร้างแบบจำลองเอกภพที่สอดคล้องกับข้อมูลที่ได้จากการศึกษานั้น โดยให้โลกเป็นจุดศูนย์กลางของเอกภพ และมีดวงจันทร์ ดวงอาทิตย์ รวมทั้งดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ทั้งหลาย โคจรอยู่รายล้อม แบบจำลองโลกเป็นศูนย์กลางนี้เป็นที่ยอมรับกันมานับพันปี ก่อนที่โคเปอร์นิคัสจะเสนอแบบจำลองใหม่ที่ให้ดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลาง ด้วยเหตุผลว่าแบบจำลองนี้ใช้การคำนวณที่ซับซ้อนน้อยกว่า (หลักการของออคแคม) จะเห็นว่าความรู้ความเข้าใจที่เพิ่มขึ้นนั้นทำให้มนุษย์มองโลกและเอกภพต่างออกไป
การศึกษาเอกภพก้าวหน้าขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 20 เพราะในศตวรรษนี้มีทฤษฎีใหม่ที่ให้ความรู้เกี่ยวกับธรรมชาติของเอกภพมากขึ้น เช่น ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และควอนตัมฟิสิกส์ รวมทั้งมีการค้นพบหลายสิ่งที่เป็นประโยชน์อย่างมากต่อวงการจักรวาลวิทยา เช่น การค้นพบว่าเอกภพกำลังขยายตัว หรือการค้นพบการแผ่รังสีคอสมิกไมโครเวฟเบื้องหลัง เป็นต้น ทั้งทฤษฎีและการค้นพบใหม่ ๆ เหล่านี้ทำให้ภาพของเอกภพในใจมนุษย์นั้นกระจ่างแจ่มชัดและใกล้เคียงความจริงยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตามก็ต้องยอมรับว่าสิ่งที่มนุษย์รู้เกี่ยวกับเอกภพนั้นยังน้อยมาก และยังคงมีอีกหลายปัญหาในทางจักรวาลวิทยาที่ยังคงเป็นปริศนาอยู่ในปัจจุบัน
