黄天衣在南京大学天文系任教，先后被提升为副教授和教授。他曾任南京大学天文系副系主任和系主任。此外，他还是
中国天文学会天文学名词委员会委员，IAU天文标准工作小组成员，IAU相对论天体力学和天体测量工作小组成员。他在《
天文学进展》期刊和《
天文学报》期刊担任编委和副主编。
黄天衣主要从事《天体力学》《宇宙航行轨道理论》等课程的教学，并自学理论基础课程。他还从事《程序设计》《数值方法》等课程的教学，并从事轨道数值方法的研究。他曾在
加拿大York大学物理系进修2年，研究轨道数值方法和
木星的逆行卫星起源等课题。他还在芬兰Turku大学天文台访问，从事合作研究，研究双星系统和第三体相会时的能量交换。他从事天文参考系和精密参考系中
相对论效应的研究，进行《天体力学数值方法》《球面天文》《古典力学的数学方法》等课程教学。他还在加拿大York大学物理和天文系合作研究一年，研究
冥王星动力学。他从事《广义相对论》等课程的教学，指导研究生。迄今为止，共有4名硕士和4名博士取得学位。
黄天衣曾参加IAU在Hague举行的大会。他在英国Exeter大学数学系访问，随后应邀访问
奥地利Vienna大学天文台。他还访问过
加拿大York大学物理和
天文学系。作为中国天文代表团成员，他曾访问台湾。他还参加了
圣彼得堡天文会议，会后顺访芬兰Turku大学天文台。