Debess ķermeņu stāvokli un kustību pie debess sfēras nosaka ar astrometrijas instrumentiem, izmantojot sfēriskās astronomijas matemātiskās metodes. Mērījumi ļauj secināt par debess ķermeņu fizikālo dabu.

Astrometrijas rezultātus praktiski izmanto laika skaitīšanā un navigācijā. Vēsturiski nozīmīgs astrometrijas uzdevums bija novērotāja atrašanās vietas koordinātu – ģeogrāfiskā platuma un ģeogrāfiskā garuma – noteikšana. Mūsdienās to veic ar navigācijas pavadoņu palīdzību. Astrometrijas metodes un rezultātus plaši izmanto astrofizikā, debess mehānikā, kosmiskajā ģeodēzijā. Astrometrijas mērījumi kalpo par pamatu zvaigžņu katalogu izveidei.

Astrometrija ir vecākā astronomijas nozare. Līdz 19. gs. vidum līdztekus debess mehānikai tā bija viena no galvenajām astronomijas nozarēm. Astrometrija saistīta ar ļoti mazu leņķu mērīšanu, tāpēc liela nozīme ir mērījumu kļūdu aprēķināšanai, instrumentu radīto sistemātisko kļūdu noteikšanai, novērojumu apstrādes metodēm. Izšķir relatīvo un absolūto astrometriju. Relatīvajā astrometrijā objekta novietojumu un kustību mēra nelielā debess sfēras apgabalā, ko var novērot ar vienu teleskopu. Relatīvā astrometrija dod precīzākus rezultātus, taču nosaka objekta stāvokli tikai attiecībā pret leņķiski tuviem objektiem. Vienotas atskaites sistēmas izveidošanai svarīgi veikt debess ķermeņu koordinātu absolūtos mērījumus, ar ko nodarbojas absolūtā astrometrija. Šie mērījumi parasti nav tik precīzi, taču aptver lielu skaitu objektu.

Debess ķermeņu izvietojuma noteikšanai izmanto astronomiskās koordinātu sistēmas. Otrajā ekvatoriālajā koordinātu sistēmā debess ķermeņa stāvokli pie debess sfēras raksturo ar divām koordinātām: rektascensiju un deklināciju. Šīs koordinātas lēni, bet nepārtraukti mainās. Viens no iemesliem koordinātu maiņai ir lēna Zemes rotācijas ass virziena maiņa, kuras cēlonis ir Saules, Mēness, kā arī Saules sistēmas lielo planētu gravitācijas spēks. Izšķir precesiju, kam ir lielāka ietekme uz koordinātām, un nutāciju, kuras ietekme ir mazāka. Zvaigžņu koordinātas ietekmē arī Zemes riņķošana ap Sauli, izraisot divus efektus: gaismas aberāciju un gada paralaksi. Bez tam, zvaigznes un Saule riņķo ap Galaktikas centru, arī izraisot zvaigžņu koordinātu izmaiņas. Lai matemātiski modelētu visus šos efektus, izstrādātas precesijas, nutācijas un gaismas aberācijas teorijas. Novērojumus apgrūtina arī astronomiskā refrakcija (gaismas laušana Zemes atmosfērā), kas izmaina debess ķermeņu redzamo augstumu.

Astrometrijas teorētiskais uzdevums ir izveidot inerciālu koordinātu sistēmu, kurā ņemtas vērā visas minētās kustības. Lai to panāktu, tiek sastādīts atskaites jeb references objektu katalogs. Zvaigžņu koordinātas apkopo zvaigžņu katalogos. Pirmie zvaigžņu katalogi tika izveidoti redzamās gaismas diapazonā. Liela nozīme ir augstas precizitātes zvaigžņu koordinātu mērījumiem redzamās gaismas diapazonā, kurus veic ar specializētiem satelītiem. Starptautisko Debess koordinātu sistēmu (International Celestial Reference System) veido, balstoties uz novērojumiem radioviļņu diapazonā.

Viens no astrometrijas praktiskajiem uzdevumiem ir mērīt Zemes rotācijas ātrumu, polu kustību un noteikt Zemes rotācijas parametrus. Novērotājs atrodas uz Zemes, kas griežas ap asi, tāpēc viņam šķiet, ka visi spīdekļi pie debess sfēras pārvietojas. To sauc par debess spīdekļu redzamo diennakts kustību. Vidējos platuma grādos Saule, Mēness, planētas, liela daļa zvaigžņu uzlec, sasniedz kulmināciju (lielāko leņķisko augstumu) un noriet. Tā kā Saule ir galvenais gaismas avots uz Zemes, tās redzamā kustība ir laika skaitīšanas pamatā. Zemes rotācija nav vienmērīga, tāpēc precīzākai laika skaitīšanai ieviests atomlaiks.

Astrometrijā izmanto specializētus teleskopus (pasāžinstrumentus, meridiānriņķus, radiointerferometrus, astrometrijas satelītus u. c.), ar kuriem nosaka objekta novietojumu teleskopa redzeslaukā.

Līdz 20. gs. 80. gadiem tika izmantota meridionālā metode, veicot novērojumu brīdī, kad debess ķermenis diennakts kustības rezultātā šķērsoja debess meridiānu. Ar pasāžinstrumentu tika fiksēts laika moments, kad zvaigzne šķērso debess meridiānu, nosakot zvaigznes rektascensiju un precīzu laiku. Ar meridiānriņķi tika izmērīts zvaigznes leņķiskais augstums uz debess meridiāna, nosakot zvaigznes deklināciju un vietas ģeogrāfisko platumu.

Mūsdienās meridionālo metodi lielā mērā aizstājuši novērojumi ar radioteleskopiem un astrometrijas satelītiem. Izmantojot radiointerferometrijas metodi, ar ļoti garas bāzes radiointerferometru (very-long-baseline interferometer, VLBI) nosaka radioviļņu avotu, galvenokārt kvazāru, izvietojumu ārpus mūsu Galaktikas. Astrometriskajos satelītos izmanto divus teleskopus, kas novietoti fiksētā leņķī viens pret otru. Satelīts griežas, un abi teleskopi skenē debess sfēru. Nosakot viena un otra teleskopa redzeslaukā redzamo zvaigžņu leņķisko attālumu, pakāpeniski iespējams izveidot inerciālu koordinātu sistēmu un noteikt objektu koordinātas.

Koordinātu mērījumus ar satelītiem un virszemes teleskopiem veic ilgstoši. Tas dod iespēju analizēt debess ķermeņu redzamo kustību. Ja zvaigznes stāvokļa mērījumus veic ar pusgada intervālu, iespējams noteikt gada paralaksi – leņķi, par kādu zvaigzne pārvietojas pie debess sfēras, ja uz to raugās no diametrāli pretējiem Zemes orbītas punktiem. Jo mazāks šis leņķis, jo tālāk atrodas zvaigzne. Ar gada paralakses metodi noteikts attālums līdz aptuveni miljardam zvaigžņu. Ilgstošus novērojumus izmanto arī, lai noteiktu zvaigznes leņķisko kustību kosmosā attiecībā pret Sauli jeb īpaškustību. Zvaigžņu īpaškustības mērījumi palīdz noskaidrot zvaigžņu izvietojumu Galaktikā un pētīt zvaigžņu rotāciju ap Galaktikas centru.

Astrometrija un ar to cieši saistītā sfēriskā astronomija ir senākā astronomijas daļa. Senās civilizācijas novēroja debess spīdekļus, lai sastādītu kalendāru, kas bija nepieciešams lauksaimniecības darbu veikšanai. Jūrnieki pēc Saules un zvaigznēm noteica debespuses. Babilonijas priesteri 2. gs. p. m. ē. sastādīja pirmo zināmo zvaigžņu katalogu, kurā bija 36 zvaigznes. 3. gs. p. m. ē. sengrieķu astronomi spīdekļu stāvokļa noteikšanai sāka izmantot armilāro sfēru. Salīdzinot savus un priekšgājēju veiktos zvaigžņu pozīciju mērījumus, sengrieķu astronoms, ģeogrāfs un matemātiķis Hiparhs (Ἵππαρχος) atklāja precesiju. Grieķu astronoms, ģeogrāfs un matemātiķis Klaudijs Ptolemajs (Κλαύδιος Πτολεμαῖος), izmantojot kvadrantu, mūsu ēras 2. gs. papildināja Hiparha katalogu līdz 1000 zvaigznēm. Arābu astronomi 9.–15. gs., izmantojot astrolābiju un kvadrantu, precizēja gada garumu, ekliptikas slīpumu un citus nozīmīgus astronomiskos lielumus.

Kad novērojumos sāka izmantot teleskopu un precīzu pulksteni, astrometrijas mērījumi sasniedza jaunu precizitātes pakāpi. Svarīga loma astrometrijas attīstībā 17.–19. gs. bija Karaliskajai Griničas observatorijai (Royal Observatory, Greenwich) Londonā, Lielbritānijā, kurā darbojās precīzi pulksteņi un leņķu mērīšanas instrumenti. Sākot ar 18. gs., zvaigznes redzamā augstuma, deklinācijas un rektascensijas aprēķināšanai izmantoja meridiānriņķi. 19. gs. nozīmīgi pētījumi astrometrijā notika Pulkovas observatorijā (Пулковская обсерватория) Krievijā.

18. gs. atklāja, ka zvaigznes pārvietojas kosmosā, t. i., tām piemīt īpaškustība. 1838. gadā pirmo reizi noteica attālumu līdz zvaigznei Gulbim 61. 19. gs. vidū astronomi sāka pētīt debess ķermeņu ķīmisko sastāvu un fizikālo dabu. Radās astrofizika, kas plaši izmantoja astrometrijas metodes un rezultātus. 20. gs. turpināja pilnveidot un paplašināt zvaigžņu katalogus, piemēram, Henrija Dreipera jeb HD katalogā (Henry Draper Catalogue, 1918–1949) ieļauti dati par 360 tūkstošiem zvaigžņu. Astrometrijā sāka izmantot radioteleskopus; novērojumi tika automatizēti.

21. gs. astrometrija galvenokārt balstās uz novērojumiem, kurus veic ar ļoti garas bāzes radiointerferometriem un specializētiem satelītiem. Debess ķermeņu koordinātu noteikšanas kļūda ir tikai dažas loka milisekundes vai pat mazāka. Radiointerferometrijas metode ir precīzāka, taču novērojamo objektu skaits ir ierobežots. Satelītu novērojumi redzamās gaismas diapazonā aptver daudz vairāk objektu. 20. gs. beigās satelīts Hipparcos ar 0,6–1,0 loka milisekunžu precizitāti novēroja 100 tūkstošus zvaigžņu, bet ar 20–30 loka milisekunžu precizitāti – vienu miljonu zvaigžņu. 2013. gadā kosmosā palaida satelītu Gaia, kas ar nebijušu precizitāti (0,2 loka milisekundes) analizē aptuveni miljards zvaigžņu izvietojumu un kustību visā tajā Galaktikas pusē, kurā atrodas Saules sistēma. Pilns Gaia novērojumu katalogs būs pieejams pēc 2020. gada.

Astrometrijas novērojumu veikšanā specializējušās nedaudzas astronomiskās observatorijas. Amerikas Savienoto Valstu (ASV) Jūras kara flotes observatorija (United States Naval Observatory, 1830) glabā precīzo laiku, izmantojot atompulksteņus, nosaka Zemes rotācijas raksturlielumus, veic astrometriskos mērījumus. Japānas Nacionālajā astronomijas observatorijā (National Astronomical Observatory of Japan, 1988) veic pētījumus gan astrofizikā, gan astrometrijā. Starptautiskais Zemes rotācijas un atskaites sistēmu dienests (International Earth Rotation and Reference Systems Service, 1987) aprēķina Starptautiskās Debess koordinātu sistēmas parametrus, nosaka pasaules laiku, Zemes rotācijas raksturlielumus, kā arī izziņo lieko sekundi. Šo darbu galvenie izpildītāji ir ASV Jūras kara flotes observatorija un Parīzes observatorija (Paris Observatory, 1671). Eiropas kosmiskā aģentūra (European Space Agency, 1975) koordinē astrometrisko satelītu Hipparcos un Gaia zvaigžņu katalogu izstrādi.

Astrometrijas pētījumu rezultātus publicē astronomijas zinātniskajos žurnālos Astronomische Nachrichten (kopš 1821, Wiley-VCH; Astrophysical Institute Potsdam, Germany), Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (kopš 1827, Oxford University Press), Astronomical Journal (kopš 1849, IOP Publishing), Publications of the Astronomical Society of the Pacific (kopš 1899, University of Chicago Press), Astronomy and Astrophysics (kopš 1969, EDP Sciences) un citos. Gadagrāmata Astronomical Almanac (kopš 1766, United States Naval Observatory and Her Majesty's Nautical Almanac Office) satur fundamentālus astronomiskus datus, Saules sistēmas debess ķermeņu efemerīdas un astronomiskos katalogus.

Sengrieķu astronoms, ģeogrāfs un matemātiķis Hiparhs izveidoja plašu zvaigžņu katalogu un atklāja precesiju. Grieķu astronoms, ģeogrāfs un matemātiķis K. Ptolemajs papildināja Hiparha katalogu. 15. gs. persiešu astronoms, matemātiķis un valdnieks Ulugbeks (الغ بیگ) ar lielu kvadrantu noteica 1000 zvaigžņu koordinātas. Dāņu astronoms, astrologs un alķīmiķis Tiho Brahe (Tycho Brahe) veica precīzākos debess spīdekļu stāvokļa novērojumus laikmetā pirms teleskopa izgudrošanas. Angļu karaliskais astronoms Džeimss Bredlijs (James Bradley) atklāja gaismas aberāciju (1728) un nutāciju (1728–1748). Vācu astronoms, matemātiķis, fiziķis un ģeodēzists Frīdrihs Bessels (Friedrich Wilhelm Bessel) 1838. gadā noteica attālumu līdz Gulbja 61 zvaigznei un izmērīja vairāk nekā 50 tūkstošu zvaigžņu koordinātas. Kopš 19. gs. trešā ceturkšņa pētījumus astrometrijā lielākoties veic zinātnieku kolektīvi, piemēram, Hārvarda koledžas observatorijas (Harvard College Observatory, ASV) zinātnieki no 1918. līdz 1924. gadam izveidoja un papildināja Henrija Dreipera katalogu.