En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre les étoiles et leur environnement proche. Ce gaz est habituellement extrêmement ténu, avec des densités typiques allant de 10 à 100 particules par décimètre cube (ou litre). Généralement ce gaz est composé approximativement de 90% d'hydrogène et de 10% d'hélium ; les autres éléments, ce que les astronomes appellent des " métaux ", ne sont présent que sous forme de traces. Encore plus exceptionnellement, des molécules complètes ont été observées dans l'espace interstellaire (la plus grosse molécule rapportée est du glycoaldéhyde, une molécule de 8 atomes, détectée dans Sagitarrius B2 par le radiotélescope de 12m de Kitt Peak).
Le milieu interstellaire est habituellement divisé en trois phases, selon la température du gaz : très chaud (millions de kelvin), chaud (milliers de kelvin) et froid (dizaines de kelvin). Ce modèle en trois phases a été développé par Chris McKee et Jerry Ostriker dans un article publié en 1977 et qui servit de base aux études menées pendant les 25 années qui ont suivi. Les proportions relatives de ces phases est encore matière à discussion dans les cercles scientifiques.
Les principaux sujets d'étude du milieu interstellaire sont : les nuages moléculaires, les nuages interstellaires, les régions HII, les rémanents de supernova, les nébuleuses planétaires ainsi que d'autres structures diffuses.
Le milieu interstellaire demeure encore aujourd'hui un sujet de recherche complexe, tant au niveau de la physique que de la chimie qui s'y déroulent. De plus en plus, les études réalisées prennent en compte ces deux aspects pour tenter d'expliquer les abondances des éléments observées dans le milieu interstellaire. Parmi ces thématiques de recherche, on peut citer les modèles de chocs de David Flower et Guillaume Pineau des Forets et les modèles de dissipation de l'énergie turbulente de Edith Falgarone.