Corpo celeste dotato di un campo gravitazionale estremamente intenso; neppure la radiazione elettromagnetica può sottrarsi alle forze attrattive che si manifestano all'interno di esso. Il corpo è circondato da un confine ideale sferico, detto "orizzonte degli eventi", attraverso il quale la luce può entrare ma non uscire; da ciò deriva il nome. Un buco nero può essere un corpo di densità elevatissima, avente una massa relativamente piccola, come quella del Sole o anche minore, compressa in un volume estremamente ridotto; oppure un corpo di bassa densità ma di massa enorme, pari a milioni di volte la massa del Sole, posto nel centro di una galassia.

Il concetto di buco nero venne sviluppato intorno al 1916 dall'astronomo tedesco Karl Schwarzschild, sulla base della teoria della relatività generale di Albert Einstein. Il raggio dell'orizzonte degli eventi di un buco nero di Schwarzschild dipende soltanto dalla massa del corpo, e in chilometri è pari a 2,95 volte la massa del corpo stesso espressa in masse solari. I risultati trovati da Schwarzschild vanno modificati se il corpo è dotato di carica elettrica oppure se è in rotazione. In quest'ultimo caso, infatti, all'esterno dell'orizzonte si forma una "ergosfera", dentro la quale la materia viene sollecitata a ruotare insieme al buco nero; teoricamente può verificarsi emissione di energia dalla regione dell'ergosfera.

I buchi neri rappresentano lo stadio finale dell'evoluzione di alcune stelle. Quando il carburante di una stella si esaurisce, l'aumento di pressione associato al calore prodotto dalle reazioni nucleari non è sufficiente per contrastare il processo di contrazione della stella. In queste condizioni, a seconda dei valori della densità, può avvenire la formazione di una nana bianca oppure di una stella di neutroni. Se la massa del nucleo supera di 1,7 volte la massa del Sole, nessuna pressione è sufficiente ad arrestare il collasso e si genera un buco nero.

Gli astronomi hanno scoperto emissioni di raggi X da Cygnus X-1, una stella doppia nella quale la componente primaria è una stella normale avente massa pari a circa 30 masse solari. Lo spostamento delle linee dello spettro di emissione, dovuto all'effetto Doppler, lascia supporre l'esistenza di un compagno, di 10 o 15 masse solari, in orbita intorno a essa. Un'emissione simile a quella che si osserva per Cygnus X-1 è generalmente prodotta da un "disco di accrescimento", cioè da un disco denso e caldo che si forma quando il gas di una stella cade su un oggetto compatto descrivendo un percorso a spirale. A causa dell'elevato valore della massa, il compagno in Cygnus X-1 potrebbe essere un buco nero anziché una nana bianca o una stella di neutroni. Altri possibili buchi neri osservati sono due sorgenti di raggi X situate nella vicina galassia della Grande Nube di Magellano e nella costellazione dell'Unicorno. Gli astrofisici suppongono inotre che alcuni buchi neri siano posti al centro di galassie di massa elevata.

Il fisico britannico Stephen Hawking ha suggerito che molti buchi neri possano essersi formati nell'universo primordiale. Se ciò fosse vero, la maggior parte di essi potrebbe essere troppo distante da altra materia per formare un disco di accrescimento rilevabile, ma potrebbe tuttavia costituire una frazione significativa della massa totale dell'universo. Per evitare il concetto matematico di singolarità, Hawking ha inoltre proposto che i buchi neri non collassino in questo modo ma piuttosto formino dei wormholes (letteralmente "buchi di vermi") che collegano il nostro con altri universi.