망원경의 목적은 집광력을 키우고 분해능을 증가시키는데 있는데, 집광력은 구경의 제곱에 비례하고 회절현상으로 나타나는 분해능은 λ/D (파장/망원경의 지름)에 비례한다. 광학망원경의 구조는 크게 굴절망원경과 반사망원경으로 구분되는데 반사망원경은 구면수차와 색수차를 제거할 수 있는 등 여러 가지 장점이 있기 때문에 대부분의 연구용 망원경은 반사망원경이다. 이외에 정확한 남중시각의 측정에 사용되는 자오의, 광시야의 슈밋트망원경과 고분산 스펙트럼을 찍기 위한 쿠데 (Coude)망원경이 있다. 광학망원경은 시상이 좋고 관측일수가 많은 곳에 건설되는데, 북반구에서는 하와이의 마우나케아섬이 최적지로 알려져 있다.

현재 선진국들은 다투어 지상에는 대형망원경을, 우주에는 최첨단의 기술로 무장한 관측위성의 개발에 앞장서고 있는데 대표적인 경우가 유럽연합으로 추진되고 있는 VLT (Very Large Telescope) 프로젝트를 들 수 있다. 우리나라의 경우 보현산천문대에서 1.8m 망원경을 대덕천파천문대에서 10m 전파망원경을 운영하고 있다. 10여년 전까지만해도 3m 정도면 대형 망원경에 해당되었는데 최근에는 8m, 10m 정도되어야 대형망원경의 범주에 들어오게 되었다.

전파망원경은 전파관측에 사용되는데 Jensky에 의하여 처음으로 개발되었으며 분해능이 나쁘기 때문에 광학망원경보다 훨씬 크다. 전파망원경의 분해능을 개선하기 위하여 전파간섭기술 (Radio Interferometry) 이 개발되어 VLA (Very Long Array), VLBI (Very Long Baseline Interferometry)등이 운영되고 있다. 분광기는 스펙트럼을 찍기 위하여 개발되었는데 프리즘분광기와 회절발분광기로 나뉜다.

자구의 대기층에 의한 별 빛의 흡수 때문에 지상에서 관측이 어려운 경우, 기구나 관측위성으로 관측하게 되는데 감마선, 엑스선, 자외선, 적외선 파장영역에서 흡수가 많이 일어난다. 이제 까지 다수의 관측위성이 발사되어 현대천문학의 본격적인 발전이 이루어지는 계기를 마련하였는데, 성공적인 경우를 예로 들자면 ROSAT, IRAS 등이 있다.

허블 우주망원경은 지구의 대기층 때문에 피할 수 없는 지상 망원경의 한계를 극복하기 위하여 500km상공의 궤도상에 2.4m 망원경을 올려 놓은 것으로 지상의 어떤 망원경 보다 50배 이상 어두운 천체의 관측이 가능하여 광학천문학 분야에 혁명적인 발전을 가져왔다

천체관측에서 망원경못지 않게 중요한 것이 검출기이다. 사람의 눈도 빛의 검출기이며 사진관측에서는 사진건판을, 광전관측에서는 광전효과를 이용한 광전증배관을 검출기로 사용한다. 근래에 들어오면서 전하결합소자 (Charge Coupled Device, CCD)가 개발되어 천문관측의 혁명을 가져왔는데, 이 검출기는 넓은 파장에 거쳐 양자효율이 좋다는 등의 장점을 갖고 있다.

천체관측은 크게 사진관측, 광전관측, 분광관측으로 나뉘는데 사진관측에서는 사진건판으로 비교적 넓은 영역을 사진을 찍어 별의 고유운동을 측정하거나 은하의 형태에 따른 분류등을 한다. 광전관측에서는 광전효과를 이용하여 천체의 밝기나 색지수등을 결정하며, 분광관측에서는 분광기로 천체의 스펙트럼을 얻어 항성의 경우 대기의 물리적 상태를 조사한다. 특히 별의 등급을 결정하기 위하여 차등광전측광과 전천광전측광을 하는데 각각의 경우 비교성과 표준성을 관측해야 한다.