يُعَدّ برنامج دكتوراه الفلسفة في علم الفلك وعلوم الفضاء، الذي انطلق في الفصل الدراسي الأول من العام الجامعي 2016م، البرنامجَ الوحيدَ في المملكة العربية السعودية الذي يُقدِّم درجة الدكتوراه تحديدًا في هذا التخصص. ويشترط البرنامج حصولَ المتقدِّمين على درجة الماجستير بتقدير لا يقل عن "جيد جدًا" في علم الفلك وعلوم الفضاء، أو الفيزياء، أو الرياضيات، أو الإحصاء. وانطلاقًا من الخبرة العريقة التي يتمتع بها القسم في الدراسات العليا والبحث العلمي، يوسِّع البرنامج الأسسَ التي أرساها برنامج الماجستير، لينتقل بها إلى مستوى أكثر تقدّمًا وتخصّصًا وعمقًا في البحث العلمي. ويتألف البرنامج من مسارين متخصصين: 1. الفيزياء الفلكية: ويركّز على تطبيق المبادئ الفيزيائية، والنماذج النظرية، وأساليب الرصد الفلكي، لدراسة طبيعة الأجرام السماوية وبنيتها وتطوّرها، والظواهر الكونية المرتبطة بها. 2. علم ديناميكا الفضاء: ويعنى بالميكانيكا السماوية، وديناميكا المدارات، ودراسة التطوّر طويل الأمد، واستقرار الأنظمة الديناميكية في الفضاء. ومن خلال هذين المسارين، ينخرط الطلاب في مقررات دراسية متقدمة وبحوث علمية أصيلة، تُعمِّق فهمهم للقوانين الفيزيائية الأساسية التي تحكم البنى الكونية والعمليات الديناميكية.