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觀測天文學（英語：Observational astronomy）是天文學的一個分支，常用於取得數據以與天文物理學的理論比對，或以測量所得的物理量解釋模型的涵義。在實務上，通過望遠鏡或其他天文儀器的使用來觀測目標。

做為一門科學，天文學有些困難之處，由於距離的遙遠，要直接驗證宇宙的特性是不可能的。然而，有為數眾多的恆星可以被觀察到，已經能夠讓天文學家獲取一些事實的真相。這些觀測到的資訊所繪製成的各種圖表，與紀錄足以顯示一般的趨向。變星就是很貼切的具體例證，能藉由變星的特性，測量出遙遠天體的距離。這一種類的距離指標，足以測量鄰近的距離，包括附近的星系，進而對其他現象進行測量。

肉眼

在17世紀發明望遠鏡前，早期的觀測天文學只能依賴肉眼以及各種用於測量時間和方向的儀器。第谷有系統的觀測行星，他所搜集的資料讓開普勒得以建立行星運動的法則。

人類非常關心天空，因而在歷史上留下許多紀錄。古老的巨石陣就是為了觀察太陽的運動來測量時間而建立的，星座是由一些恆星在天空中組成的圖樣，並且與地球上的季節變化連結在一起，也流傳下來許多的神話與傳說。

不使用望遠鏡，單靠眼睛也能做許多不同的觀測，古老的記錄記載了一些突然出現在天空中的亮星，被稱為超新星，甚至在白天也能看見。也記錄了被視為災難預兆的彗星，還有划過天際的流星。在現代，科學家透過在南極冰原上搜集到的大量隕石，可以研究和測量小行星，甚至火星的表面。

望遠鏡

意大利的伽利略是首位使用望遠鏡觀察天空並且記錄下所見到的景象的天文學家，此後望遠鏡大量投入使用輔助肉眼的天文觀測上，觀測天文學因為望遠鏡製作技術的改進而飛躍的發展。

往後由於物理學與光學的急速發展，傳統的觀測天文學又產生了新的分支：各種電磁波頻譜區域的觀測。

• 光學天文學：使用光學元件（面鏡、透鏡和實體探測器）來觀察從近紅外線到近紫外線光的部分，可見光天文學（使用的是眼睛能看見的波長，從400 - 700 nm）就再這一段的中間。

• 紅外天文學：分析和觀察紅外輻射，（比傳統的實體硅檢波器能偵測的波長還要長，約在1μm）。以反射望遠鏡作接收器，但焦點的探測器換成對紅外波長敏感的設備。太空望遠鏡因脫離大氣層，能觀察被大氣層遮蔽或阻擋（來自大氣層的熱輻射）的部分波長。

• 射電天文學：偵測波長在微米至米級的輻射，使用的接收器與無線電廣播類似，但靈敏度更高。參考無線電望遠鏡。

• 高能天文學：包括X射線天文學、伽瑪射線天文學和末端的紫外線天文學，主要的研究對象是中微子和宇宙射線。

可見光和射電天文學可以由地面天文台觀測，因為這些波段能穿透大氣層並被偵測到。天文台通常都建在高處，以儘可能減少大氣層的消光和畸變。有些紅外波段會被大氣層內的水蒸氣強烈吸收，所以許多紅外天文台都選擇建在乾燥的高地上，或在太空中進行觀測。

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