天文学的研究方法主要是依靠观测。前面我们已经说过，天文学研究的是天体现象，对于天体来说，它的大小、尺度、形成时间和物理特性都是我们无法想象的，在地面试验室更是难以模拟。
因此不断的创造和优化观测手段，也就成了天文学家们不懈努力的又一个课题。古往今来天文学上的一切发现和研究成果，都离不开一种天文观测工具——望远镜及其后端接收设备。
17世纪之前，人们尽管已制作了不少如中国的浑天仪、简仪等天文观测仪器，但观测工作并不理想，还是只能靠肉眼。直到第一架天文望远镜在1609年制成，伽利略通过它取得了许多重要发现，天文学才跨入了望远镜时代。
但人类并没有因此而懈怠，而是对望远镜的性能不断加以改进优化，以期望能观测到更暗的大体，获得更高的分辨率。1937年诞生了第一台抛物反射面射电望远镜。
在望远镜后端的接收设备方面，到了近代，在天文观测中照相、分光等技术起了极大的作用，可以说这些设备直接推动了天体物理学成为天文学的主流学科。
另外，1932年美国人央斯基用他的旋转天线阵观测到了来自天体的射电波，开创了射电天文学。之后，随着对射电望远镜的性能的不断优化改进，射电天文技术在天文史上作出了很多贡献。
20世纪后50年中，随着科技的不断进步以及各种研究工具的改良，天文观测不断扩展，不再仅限于可见光、射电波段，还包括红外、紫外、X 射线和Y 射线在内的电磁波各个波段，形成了多波段天文学，由此引出的多种探测方法和手段也不断出现。例如气球、火箭、人造卫星等等，这些设备都为探索各类天体和天文现象的物理本质提供了强有力的观测手段，也预示着天文学发展到丁，一个全新的阶段。