宇宙射线简称宇宙线（Cosmic Rays, CRs），是太阳系以外唯一的物质样本。自 1912 年赫斯的高空气球实验发现宇宙线以来，围绕其起源、加速、传播这三大基本问题，人类开始了长达 100 多年的探索。
宇宙中到处都是宇宙线，每秒钟每平方米的面积上约有 1000 个宇宙线粒子轰击到地球大气层上。它们都是电离后的原子核，其中有大约 90% 的质子、9% 的 α 粒子，还有其他更重的原子核。在缺少人造粒子加速器的年代，宇宙线为粒子物理与核物理研究提供了唯一的高能粒子源，包括但不限于发现了正电子、π介子、奇异粒子。
宇宙射线包含光子、中微子和其他带电粒子。因历史原因，我们将那些带电粒子称为宇宙线，而将高能光子称作伽马射线。光子占宇宙线总成分的不到 1%。如无特殊说明，宇宙线一词仅指那些带电粒子。
在宇宙空间的粒子源加速出来的宇宙线粒子一般称为“初级宇宙线”（Primary Cosmic Rays），而初级宇宙线与星际空间的物质（星际气体、尘埃、星云等）相互作用产生的粒子成为次级宇宙线（Secondary Cosmic Rays）。由于我们的实验多是地面观测试验，宇宙线在进入大气层的过程中要发生大气簇射，探测器探测到的其实是簇射的次级粒子。所以，我们将初级宇宙线和次级宇宙线合称为“原初宇宙线”，也就是能够到达地球大气层的宇宙线粒子。
我国的宇宙线研究几乎与新中国同龄，详细参见马宇蒨所著的《我国的宇宙线物理研究六十年》
宇宙线能谱反映了宇宙线的流强随能量的变化。在低能量（30 GeV以下）时，受太阳活动调制效应影响较大，即流强随太阳活动发生变化（太阳风强大时、宇宙线会被有效的阻止进入太阳邻域）；而高能量的宇宙线受调制效应不明显，能谱呈幂律谱的形式变化（说明宇宙线具有非热谱的性质，且高能粒子更难接收到）。其精细结构具有显著特征：
目前对于膝区的成因解释有：银河系内的宇宙线加速源对加速的最高能量有限制；银河系磁场对高能粒子的约束失效；银河系附近的活动星系核贡献；太阳系附近的超新星遗迹（SNR）源的贡献；高能强子的相互作用产生新物理等。
卫星试验、高空气球实验、地面大气簇射实验对膝区成分的测量存在差异，从逐个天体源直接研究来回答宇宙线基本问题称为直接而有效的手段，目前分为三大领域：伽马天文、高能中微子天文、极高宇宙线天文。伽马和中微子因不带电在宇宙介质中传播而不受磁场影响，所以伽马源和中微子源与宇宙线源位置高度关联（高能宇宙线径迹也几乎不受磁场影响，所超高能宇宙线探测也是研究宇宙线起源的重要手段）。高能伽马射线可以是轻子起源，也可以是强子起源，如果发现强子起源的伽马射线，也就间接发现了宇宙线源。强子过程也伴随中微子的产生（轻子较少产生中微子），如果找到高能中微子源也就直接发现了宇宙线源。
宇宙线及伽马射线的来源可能是超新星及其遗物、快速旋转的脉冲星及风云、活动星系核等，这些来源中，伽马射线的产生机制不同，如同步辐射、轫致辐射、逆康普顿辐射等。
目前的加速模型主要有：脉冲星模型、超新星（SNR）爆发、活动星系核（AGN）-河外宇宙线源（人们普遍认为，10^17eV 的宇宙线应起源于银河系以外，这是因为银河系的体积和磁场有限，不能束缚 10^17eV 或者更高能量的粒子。近年来实验观测表明，活动星系核在其几个小时、几天甚至几个月的活跃时期有巨大的能量输出，成为了在众多的河外天体中最有可能产生能量 ＞10^17eV 宇宙的候选天体）。