由於電磁波是天文學的主要信息來源，因此在收集和分析這些波時，望遠鏡和探測器起著重要作用。較大的望遠鏡可以收集更多的光，使天文學家能夠識別和分析非常暗弱的物體。較大的望遠鏡也具有更大的分辨能力，使天文學家可以更詳細地研究其目標物體的細節。早期的天文觀測是通過人員直接通過望遠鏡觀察來進行，如今天文學家則使用探測器在許多不同的波長上客觀地記錄觀測結果。

天文學家可以通過一種被稱為乾涉測量的技術，將許多望遠鏡組合在一起，使它們像一台大望遠鏡一樣工作。從分辨率上講，組合出的望遠鏡直徑將等同於小望遠鏡們之間最大的距離。這使天文學家可以看到天體中更小更精細的細節，並且可以區分諸如恆星及其行星系統之類的獨立物體。

地球的大氣層吸收了電磁波譜中的大部分輻射。它對可見光、一些紫外線、紅外線以及短波射電是透明的，但在其他波段則大部分是不透明的。大多數紫外線波段和大部分紅外線以及X射線無法穿透大氣層。因此，若要收集除可見光，射電和少量其他波段以外的光，望遠鏡必須被放置在太空中。儘管可以在地表接收到可見光，但是地球大氣的湍流會影響圖像的質量，因此一些光學望遠鏡也被放置在太空中。

地球上只有很少的地方擁有高海拔、無光污染、大氣對某些波長透明的純淨天空。這些位置通常條件惡劣，難以到達，並且與大型人類居住地相距甚遠。天文學家要么親自前往這些地點進行觀測，要么讓經驗豐富的當地望遠鏡操作員為他們提供幫助，要么使用可以遠程操作的自動望遠鏡。

天文巡天已經產生了大量的數據，並且在未來幾年中將繼續大大增加。這種進展被稱為“大數據天文學”，其重點是尋找新穎的方法來存儲、傳輸和分析這些數據。這促進了各種公眾科學項目的發展，以利用人類敏銳的圖案識別能力。另一方面，現代望遠鏡和儀器價格昂貴，並且建造它們需要各種技術技能。在這個“大科學”時代，它們通常由包含來自不同國家的眾多天文研究機構的國際組織或聯合體建造，。

處理來自模擬和觀測的大量數據需要計算機能夠在短時間內執行複雜的模擬計算。目前超級計算機每秒可以執行的計算數量級為十的十七次方。這些超級計算機使天文學家可以創建模擬的宇宙，並將其與大規模巡天的觀測結果進行比較。

大多數專業天文台提供的數據是公開可用的。在職業生涯中，天文學家通常會在不同的國家工作。從望遠鏡和儀器的建造到協調觀測，大型天文項目通常是在不同國家的研究人員和研究所之間合作完成的。天文學是全球化和國際化的，我們都是“地球飛船”的機組人員，在同一片天空下探索宇宙。

為了探索和了解我們在宇宙中的位置，我們一直在向整個太陽係發送探測器。其中一些繞行星，衛星甚至是小行星運動，而另一些則降落在這些物體上。在太陽系中，探測器曾探訪（著陸，繞行或飛越）過所有行星、矮行星冥王星和穀神星、我們的月亮以及木星和土星的其他衛星、彗星、小行星。