Com que les ones electromagnètiques són la principal font d'informació de l'Astronomia, els telescopis i els detectors juguen un paper important a l'hora de recollir i d'analitzar aquestes ones. Els telescopis més grans recullen més llum, cosa que permet als astrònoms identificar i analitzar objectes molt tènues. Els telescopis més grans també tenen més poder de resolució, cosa que permet estudiar els objectes amb més detall. Tot i que les primeres observacions astronòmiques es van realitzar mirant directament a través d'un telescopi, els detectors actuals permeten documentar les observacions, a moltes longituds d'ona diferents, de manera objectiva.
Mitjançant una tècnica anomenada interferometria, els astrònoms poden enllaçar molts telescopis i fer-los funcionar com si fos un únic gran telescopi. La resolució d'aquests instruments combinats és la d'un únic telescopi amb un diàmetre igual a la màxima distància entre dos qualssevol dels telescopis enllaçats més petits. Això permet als astrònoms veure detalls més petits i més fins en els objectes astronòmics, així com distingir entre objectes separats, com ara una estrella i el seu sistema planetari.
L'atmosfera terrestre absorbeix la radiació de gran part de l'espectre electromagnètic. És transparent a la llum visible, a certes radiacions ultraviolades i infraroges i a la ràdio d'ona curta, però la resta és sobretot opaca. La majoria de bandes ultraviolades i moltes de llum infraroja, així com els raigs X, no poden penetrar en l'atmosfera. Per aquest motiu, la majoria de telescopis que recullen llum diferent de la visible, la ràdio i un nombre menor d'altres bandes de longitud d'ona, s'han de situar a l'espai. Tot i que des de la superfície es pot observar la llum visible, la turbulència de l'atmosfera terrestre afecta la qualitat de les imatges, per la qual cosa també hi ha telescopis òptics instal·lats a l'espai.
Hi ha pocs llocs a la Terra amb les condicions d'observació perfectes que es donen a altituds elevades, l'absència de contaminació lumínica i la transparència de l'atmosfera en determinades longituds d'ona. Aquests llocs solen ser hostils, difícils d'accedir i, normalment, es troben molt allunyats dels principals assentaments humans. Els astrònoms viatgen a aquests llocs per a fer-hi les seves observacions, o bé permeten que experts locals operin els telescopis, o bé fan ús de telescopis robotitzats que funcionen de forma remota.
Les exploracions astronòmiques han començat a produir grans quantitats de dades, i això augmentarà molt en els anys vinents. Aquesta evolució s'anomena "Astronomia del Big Data", on l'objectiu és trobar noves maneres d'emmagatzemar, lliurar i analitzar aquestes dades. Això ha portat al desenvolupament de diversos projectes de ciència ciutadana per aprofitar l'aguda capacitat de reconeixement de formes dels humans. D'altra banda, els telescopis i els instruments moderns són cars i la seva construcció requereix una sèrie d'habilitats tècniques. En l'era de la "Big Science", aquests instruments solen ser fabricats per organitzacions internacionals o consorcis on participen instituts astronòmics de diferents països.
El processament de les grans quantitats de dades procedents tant de simulacions com d'observacions requereix ordinadors capaços de realitzar simulacions complexes en un curt període de temps. Els superordinadors actuals poden fer càlculs de l'ordre d'un parell de centenars de quadrilions cada segon. Aquests superordinadors permeten als astrònoms crear universos simulats i comparar-los amb les observacions obtingudes a gran escala.
Les dades disponibles de la majoria dels observatoris professionals estan disponibles públicament. Al llarg de la seva carrera, els astrònoms normalment treballaran en diferents països. Sovint es duen a terme grans projectes astronòmics, des de la construcció de telescopis i d'instruments fins a campanyes d'observació coordinades, en col·laboració entre investigadors i instituts de diferents països. L'Astronomia és global i internacional. Tots som membres de la tripulació de la "nau espacial Terra", sota un mateix firmament, que explora el Cosmos.
Per explorar i aprendre més sobre el nostre lloc en l'Univers, hem estat enviant sondes robòtiques per tot el Sistema Solar. Algunes d'aquestes sondes orbiten planetes, satèl·lits o, fins i tot, asteroides, mentre que altres han aterrat en aquests objectes. Entre els llocs del Sistema Solar visitats (aterratge, òrbita o sobrevol) per sondes robòtiques hi ha tots els planetes, els planetes nans Plutó i Ceres, la Lluna i alguns satèl·lits de Júpiter i de Saturn, així com cometes i asteroides.
