理论空气动力学硏究对空气动力学的发展起重要作用，帮助人们透过流动现象看到物理本质。通常从流动的基本方程出发，经过必要的简化假设，利用数学工具取得解析或数值的结果。理论空气动力学是空气动力学的分支学科，空气动力学中的许多定理、定律大都是理论空气动力学的成果。主要包含空气动力基本理论、空气动力主控方程、空气动力基本方法等。

空气动力基本理论包含薄翼理论、升力面理论、升力线理论、细长体理论。薄翼理论是一种估计薄翼型空气动力特性的理论方法，是升力面理论对二维问题的一种应用。升力面理论是在小扰动线化位流理论中，计算薄翼有升力绕流的一种较精确的理论方法。升力线理论是用于计算大展弦比直机翼的低速展向载荷分布的一种理论方法，这个理论假设机翼产生升力的效应可用一条变强度的直线涡来代替。细长体理论适用于细长飞行器，是小扰动线化位流理论进一步简化后所得的一种绕流计算的近似理论方法。

在区域内限定支配流动参数变化规律的方程或方程组，不同近似层次下的流动有不同的主控方程。又称控制方程。黏性流体或气体流动的主控方程是纳维-斯托克斯方程；无黏性气体流动的主控方程是欧拉方程组；可压缩位流的主控方程是全位势方程；不可压位流的主控方程是拉普拉斯方程；小扰动近似流动的主控方程是小扰动方程等。

纳维-斯托克斯方程是由C.-L.-M.-H.纳维和G.G.斯托克斯独立导出的，简称N-S方程。将牛顿第二定律应用于流体中任意微元，除了考虑作用在微元上彻体力和表面法向压力之外，还考虑作用在表面上的黏性剪切应力，假设流体为牛顿型，即黏性应力与应变变化率呈线性关系。可以导出动量方程组。

动量方程中的未知量数目多于方程数目，因此是非封闭的。对不可压缩黏性流体，动量方程与连续方程组成封闭方程组；对可压缩黏性流体，还需补充能量方程、状态方程及黏性系数随温度的变化关系等。纳维-斯托克斯方程是非线性偏微分方程组，只对一些特别简单的问题（如两平行板间的层流、直圆管中的流动等）才有精确的解析解。对高雷诺数物体绕流，可对纳维-斯托克斯方程作简化近似，在贴近物体壁面很薄的附边界内可简化为边界层微分方程；而在边界层外，可忽略黏性影响，当黏性系数为零时，方程简化为欧拉方程。使用欧拉方程或位流方程，对更一般的问题，需采用计算流体力学的数值计算方法。为了简化数值计算，还有一些简化近似，例如有薄层N-S方程和抛物化N-S方程。

空气动力基本方法包含欧拉法和拉格朗日法。①欧拉法。着眼于空间定点，研究流场中流体在该点的速度随时间的变化，以及由此点转移到空间其他点时引起的速度变化。它不直接追究质点的运动过程，而是以充满运动液体质点的空间--流场为对象，研究各时刻质点在流场中的变化规律。将个别流体质点运动过程置之不理，而固守于流场各空间点，通过观察在流动空间中的每一个空间点上运动要素随时间的变化，把足够多的空间点综合起来而得出的整个流体的运动情况。该方法中流体速度是空间坐标和时间的函数。该法与拉格朗日法同为研究流体运动的基本方法，但欧拉法在空气动力学中用得最多。②拉格朗日法。拉格朗日与欧拉的观点不同，其着眼于各个流体质点研究它们的运动过程。拉格朗日法是跟随流体质点运动，记录该质点在运动过程中物理量随时间变化规律；是以研究单个流体质点运动过程作为基础，综合所有质点的运动，构成整个流体的运动。以某一起始时刻每个质点的坐标位置作为该质点的标志。任何时刻任意质点在空间的位置都可以看成是质点坐标位置和时间的函数。拉格朗日法的基本特点是追踪流体质点的运动，其优点是可直接运用固体力学中质点动力学进行分析。