Novērojumu astronomijas pamatā ir starojuma reģistrēšana redzamajā gaismā un citos elektromagnētisko viļņu spektra diapazonos ar teleskopiem un citiem instrumentiem, kas atrodas uz Zemes vai kosmiskajā telpā. Rezultāts ir tiešā veidā iegūti vai sintezēti attēli un skaitlisku datu kopas, kas saistītas ar konkrēta debess apgabala un laika periodā veiktiem novērojumiem. Atsevišķos gadījumos novērojumi notiek ar neapbruņotu aci.

Novērojumu astronomiju iedala pēc elektromagnētiskā spektra diapazona, kurā tiek veikti novērojumi: gamma astronomija, rentgenastronomija, ultravioletā astronomija, redzamās gaismas astronomija, infrasarkanā astronomija, submilimetru astronomija un radioastronomija. Katram diapazonam izmanto atšķirīga veida novērojumu metodes un teleskopus, kas ļauj pēc iespējas labāk reģistrēt tieši konkrēto starojuma veidu. Tā kā ne visu diapazonu starojums, piemēram, gamma, rentgena, ultravioletais un infrasarkanais, iet cauri Zemes atmosfērai (t. i., tā nav viscaur caurspīdīga), daži novērojumi ir iespējami, tikai novietojot teleskopus kosmosā – ģeocentriskās vai heliocentriskās orbītās. Lielākā daļa teleskopu uz Zemes stacionāri atrodas astronomiskajās observatorijās, kas izveidotas īpaši izvēlētās ģeogrāfiskās vietās un kuru ēkas veidotas konkrētiem novērojumu instrumentiem. Piemēram, optiskā diapazonā labi apstākļi parasti ir kalnos, bet mikroviļņu diapazonam vajag arī sevišķi sausu gaisu. Lielākās observatorijas ietver vairākus teleskopus, kas aprīkoti ar dažādu tehnoloģiju teleskopiem (piemēram, atšķirīga optiskā sistēma, montējums, starojuma uztvērējs, vadība), vai specializējas dažādos novērojumu veidos (piemēram, plaša vai šaura redzeslauka novērojumi, asteroīdu vai galaktiku novērojumi), vai arī spēj strādāt sinhroni pie viena objekta novērojumiem (piemēram, uztvertā signāla leņķiskās izšķirtspējas uzlabošana ar astronomiskā interferometra palīdzību). Observatorijas parasti veido vietās, kur ir labs astroklimats­.

Novērojumu mērķis visbiežāk ir piefiksēt kaut ko līdz šim neizpētītu, kas bieži ļauj veikt zinātniskus atklājumus. Savukārt astronomijas amatieri visbiežāk novēro debess parādības un objektus savam priekam un izglītošanās nolūkos. Ņemot vērā to, ka astronomijā nav iespējams veikt eksperimentus ar Visuma objektiem, visi priekšstati par tajā aplūkojamajiem objektiem tieši vai netieši ir iegūti no novērojumiem. Vai arī – novērojumi ļauj verificēt fizikas vai astrofizikas teorijas, piemēram, pilnā Saules aptumsuma laikā tika pārbaudīta vispārējā relativitātes teorija – vai zvaigžņu gaisma novirzīsies tiešā Saules tuvumā. No novērojumiem iegūst datus, uz kuru pamata tiek veidoti teorētiskie modeļi dažāda mēroga procesiem Visumā, sākot no Saules sistēmas objektiem līdz zvaigžņu evolūcijai, citplanētu sistēmām un kosmoloģijai. Tā kā virkne procesu Visumā noris lēni (tūkstošiem, miljoniem un vairāk gadu), viena objekta evolūcijas novērojumu vietā parasti izmanto iegūtos datus par dažādās attīstības stadijās esošiem līdzīgiem objektiem – piemēram, ir uzkrāts liels datu apjoms par zvaigznēm dažādās evolūcijas stadijās, uz kā pamata ir iespējams izveidot zvaigžņu klasifikāciju un izveidot to evolūcijas ceļus. Atbilstoši visu viļņu astronomijas pieejai, precīzi reģistrējot starojuma intensitāti dažādos elektromagnētiskā spektra diapazonos, iespējams spriest par novērojamā objekta ķīmisko sastāvu, temperatūru un relatīvo kustību. Katru novērojamo objektu raksturo tā atrašanās vieta pie debess atbilstoši izvēlētajai debess koordinātu sistēmai, un šos jautājumus apskata astrometrijā. Objektus visbiežāk raksturo struktūra, spožums (mēra zvaigžņlielumos) un spektrs.

Galvenais instruments novērojumu veikšanai ir teleskops. Optisko teleskopu darba laiks tiek pieskaņots teorētiskajai iespējai novērot debess objektu izvēlētajā laika periodā un konkrētā brīža laika apstākļiem. Garāko radio viļņu novērojumus laika apstākļi visumā neietekmē, bet īsākie mikroviļņi prasa sevišķi sausu gaisu. Parasti astronomiem ir jāveic savlaicīga pieteikšanās uz novērojumu laiku – kas, cik daudz un ar kādiem instrumentiem jānovēro. Novērojumi var būt sistemātiski viena vai vairāku apgabalu atkārtoti pētījumi ilgākā laika posmā bez viena konkrēta objekta, piemēram, debess apskatu veidošana vai arī viena konkrēta objekta padziļināta izpēte. Objekta starojuma intensitātes noteikšanai izmanto fotometrijas metodes, bet intensitātes sadalījumu pa starojuma frekvencēm analizē spektrogrāfija (t. sk. arī radiodiapazonā, kur plūsmas intensitātei konkrētā diapazonā ir atsevišķa mērvienība “janskis” (jansky; Jy). Zemei tuvus Saules sistēmas objektus var pētīt ar radaru astronomiju, kā arī līdz Mēnesim precīzu attālumu var mērīt ar lāzeru tālmēru palīdzību. Mūsdienu observatorijas iegūtos rezultātus glabā cipariskos arhīvos, ļaujot meklēt detaļas iepriekš veiktos novērojumos un salīdzināt ar jaunākiem pētījumiem.

Nav precīzas informācijas, kad veikti pirmie sistemātiskie debess spīdekļu novērojumi. Vairāku seno tautu kulta vietas ir saistītas ar spīdekļu redzamības virzieniem dažādos laika periodos. Visplašāk ar gnomona ēnas palīdzību tika reģistrēta Saules diennakts un sezonālā pārvietošanās pie debess, veidojot saules pulksteņus diennakts laika uzskaitei un kalendārus, lai uzskaitītu ilgāku laika posmu. Zināms, ka Senajā Ēģiptē plūdu kalendārs tika piesaistīts spožās zvaigznes Sīriusa redzamībai. Ir liecības par spožāko planētu novērojumiem Senajā Ēģiptē un Babilonijā, kā arī spēju prognozēt planētu redzamību. Planētu un debess redzamības prognozēšanai dažādos laikos tika veidotas astolābijas un telpiski debess modeļi – armilārās sfēras. Sistemātisku debess spīdekļu pozīcijas ar kvadranta palīdzību 15. gs. mērījis astronoms Ulugbeks (الغ بیگ), bet vēlāk ar sekstanta palīdzību – dāņu astronoms Tiho Brahe (Tycho Brahe) 16. gs. Būtiskas pārmaiņas novērojumu astronomijā notika 1609. gadā, kad itāļu zinātnieks Galileo Galilejs (Galileo Galilei) sāka izmanto teleskopu debess novērojumiem. Teleskopu veidotais palielinājums ļāva saskatīt novērojamo objektu detaļas, palielināt zvaigžņu redzamo robežlielumu. Nākamais attīstības posms sākās 19. gs. otrajā pusē, kad parādījās astrofotogrāfija un spektrogrāfija. Līdz ar fotogrāfijas parādīšanos standartizēta zvaigžņlieluma noteikšanai tika ieviesta fotometrijas sistēma.

20. gs. vidū attīstījās astronomiskie novērojumi radio diapazonā, un 20. gs. otrajā pusē – infrasarkanajā un ultravioletajos diapazonos. Ar šo tika radīti pirmie teleskopi, kas atrodas ārpus Zemes atmosfēras. Pēdējās desmitgadēs datortehnoloģiju izmantošana būtiski mainījusi veidu, kā tiek reģistrēti un apstrādāti attēli vai signāli, kā arī glabāti iegūtie dati. Specifiski novērojumu astronomijas veidi, kas neorientējas uz elektromagnētisko starojumu, ir kosmisko staru astronomija un neitrīno astronomija. 21. gs. otrajā desmitgadē ar īpaši veidotām observatorijām ir veikti pirmie gravitācijas viļņu novērojumi, kas radušies melno caurumu vai neitronu zvaigžņu saplūšanas rezultātā.

Galvenā Eiropas astronomijas institūcija ir Eiropas Dienvidu observatorija (European Southern Observatory), kuras teleskopi atrodas Čīlē (Lasijas, Paranala, ALMA observatorijas), bet vadības centrs – Vācijā. Starptautiskās Astronomijas savienības (International Astronomical Union) B divīzija “Iekārtas, tehnoloģijas un datu zinātne” (Facilities, Technologies and Data Science) ir saistīta ar novērojumu astronomiju.

Izdevumi, kuros atspoguļo novērojumu astronomijas rezultātus: Astronomy & Astrophysics (kopš 1969. gada, izdevējs EDP Sciences), The Astrophysical Journal (kopš 1895. gada, izdevējs IOP Publishing), The Astronomical Journal (kopš 1849. gada, izdevējs IOP Publishing) un Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (kopš 1827. gada, izdevējs Oxford University Press). Astronomijas amatieriem nozīmīgākie periodiskie izdevumi ir Sky & Telescope (kopš 1941. gada, izdevējs Sky Publishing Corporation), Astronomy Magazine (kopš 1973. gada, izdevējs Kalmbach Publishing Co.) un Astronomy Now (kopš 1987. gada, izdevējs Pole Star Publications Ltd.).

21. gs. otrās desmitgades vidū pēc zinātnisko publikāciju skaita aptuveni līdzīgā apjomā ierindojas Eiropas Dienvidu observatorijas un Habla Kosmiskā teleskopa (Hubble Space Telescope) zinātniskās grupas – katrai virs 800 publikāciju gadā. Starp publikāciju līderiem ir arī zinātniskās grupas, kas darbojas ar Nacionālās radioteleskopu observatorijas (National Radio Astronomy Observatory) radioteleskopiem, Keka observatorija (The Keck Observatory) Havaju salās, Gemini observatorija (The Gemini Observatory) Havaju salās un Čīlē un Subaru teleskops (Subaru Telescope) Havaju salās, kā arī tās, kas veikušas novērojumus attiecīgajā laika posmā ar aktuālajiem kosmiskajiem teleskopiem.