Se llaman rayos cósmicos a las partículas elementales y núcleos atómicos que alcanzan la Tierra procedentes del espacio. Como los rayos cósmicos tienen carga su dirección de propagación en el espacio cambia constantemente por el campo magnético interestelar. Su dirección de llegada no da información sobre su lugar de origen. Las propiedades más importantes que podemos observar desde Tierra son su composición y su distribución de energía. Las observaciones deben hacerse en la alta atmósfera o con satélites, ya que los rayos cósmicos se destruyen en la atmósfera.

El principal constituyente de los rayos cósmicos (alrededor del 90 %) son núcleos de hidrógeno o protones, el segundo constituyente más importante (alrededor del 9 %) son núcleos de helio o partículas a . El resto son electrones y núcleos más pesados que el helio.

La mayoría de los rayos cósmicos tienen energías menores que 10⁹ eV, el número de partículas más energéticas disminuye rápidamente cuando aumenta la energía. Los protones más energéticos tienen 10²⁰ eV, pero estas partículas son raras. (En los grandes aceleradores de partículas se alcanzan sólo energías de 5 x 10¹¹ eV)

La distribución de los rayos cósmicos de baja energía (menos que 10⁸ eV) no puede determinarse desde Tierra, ya que los rayos cósmicos solares, protones y electrones de alta energía formados en las fulguraciones solares llenan el sistema solar y afectan intensamente el movimiento de los rayos cósmicos de baja energía.

La distribución de los rayos cósmicos en la Galaxia se puede inferir de las observaciones en radio y de los rayos g (gamma). Las colisiones de los protones de los rayos cósmicos con los átomos de hidrógeno interestelar dan lugar a un continuo de rayos gamma. El radio continuo se forma por electrones de los rayos cósmicos que emiten radiación sincrotrónica (no térmica) en el campo magnético interestelar. Ambas emisiones, gamma y radio, están intensamente concentradas en le plano galáctico, por lo que se puede concluir, que las fuentes de rayos cósmicos deben de estar también localizadas en esta estructura. Además, se observan picos en el continuo alrededor de restos de supernovas conocidos. En los rayos gamma, estos picos se observan en la Nebulosa del Cangrejo y en el pulsar de Vela.

Aparentemente una gran fracción de los rayos cósmicos tienen su origen en las explosiones de supernova, ya que estas dan lugar a la emisión de partículas energéticas. Sí se forma un pulsar las observaciones muestran que éste acelera las partículas en sus alrededores.