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天文学的巨大进步之一就是摄影技术在天体研究上的应用。早在19世纪40年代，纽约著名的化学家德雷珀教授就成功地完成了一张月球的银版照相（daguerreotype）。随着照相技术的发展，哈佛天文台的邦德（Bond）和纽约的天文学家卢瑟福开始将其应用到拍摄星辰上。虽然不能与现代天体摄影技术媲美，但卢瑟福拍摄的昴星团及其他星团的照片至今仍然在天文学研究领域有着重要作用，可见他们已经成功了。
普通照相机其实也可以拍摄星辰，只需要将它安装得如同一架赤道仪一样，就可以用它在周日视运动中追寻星星了。几分钟的曝光就可以捕捉到比肉眼所见更多的星星，如果用大型照相机，甚至可能无须1分钟。不过，天文学家经常使用的是照相望远镜。普通照相机在经过改良后就可以满足天文拍摄的用途，不过为了获得拍摄的最佳效果，望远镜的物镜必须是特别制作的，能够将光线都聚集到一个焦点，这样才能使胶卷达到最佳的感光效果。为照相而设计出的折射望远镜通常比相同口径的目视望远镜更短，这样做是为了能同时看到更大范围的天空。同时，为了让大视野中的像更清晰并减少模糊的颜色，中间的物镜通常是两重，也就是所谓的“双分离物镜”。巴纳德就使用布鲁斯双分离物镜成功地拍摄了壮美的银河和彗星；而哈佛天文台61厘米口径的双分离物镜，也大大提高了我们对南天半球的了解程度。只要物镜能够充分消除色散，那么折射望远镜不仅可以用于目视，还可以用于摄影。
随着科技的飞速发展，未来的大部分天文工作似乎都可以借助照相技术完成，大量的摄影照片代替了我们在望远镜上的观测，这些可以长期保存的记录更利于精密的研究。常有这种情况发生，在一个新天体（如新行星或者新星）被发现之后，天文学家可以在更早之前该部分天空的照片中找到这个天体的历史资料。冥王星就是在这种情况下被发现的。
古时候的天文学家用画图的方法努力记录太阳黑子、日食、行星、彗星、星云等天体现象。这些图画需要很长时间才能完成，其中还可能含有记录者的个人偏见。所以，经常会出现两个天文学家绘制的同一天体图画完全不同，或者同一个天文学家在不同时间画出的同一天体不尽相同的情况。但通过照相，我们可以得到更加真实的天体影像，而且花费的时间更短。
天体摄影的最大优点是，经过长时间的曝光，底片上可能会出现许多用肉眼看不清楚或看不到的天体。例如，一些即使通过最好的望远镜也看不清楚的星云，在照片中却非常清晰。当然，如果想对一个非常微弱的天体进行拍摄，由于曝光时间长达几小时，除了准确移动照相望远镜的活动部分外，更需要天文学家高超的技术和非凡的耐性，这样才能拍摄出更好的天体照片。
凯克望远镜（Keck Ⅰ，Keck Ⅱ）：位于太平洋夏威夷岛海拔4200多米的莫纳克亚山上，是世界上已投入工作的口径最大的望远镜之一。凯克望远镜以出资建造者凯克的名字命名，共有两台，分别是1991年建造的Keck Ⅰ和1996年建造的Keck Ⅱ，它们的配置相同，而且都被用于干涉观测中。凯克望远镜的整体镜面直径都是10米，由36块六角镜面拼接而成，每块镜面的直径均为1.8米，而厚度仅为10厘米，通过主动光学支撑系统，保持了镜面极高的精确度。主要由近红外照相仪、高分辨率CCD探测器以及高色散光谱仪三个部分构成。凯克望远镜的天文观测精度可达到毫微米程度，能够带领我们寻找宇宙的起源，让我们看到宇宙诞生的时刻。
欧洲南方天文台甚大望远镜（VLT）：位于智利帕瑞纳天文台，由欧洲南方天文台于1986年开始建造，2012年全部建成并投入使用。这台望远镜由4台口径均为8米的望远镜组成，既可以单独使用，也可以组成一个光学干涉阵，进行高分辨率观测。4台望远镜排列在同一条直线上，全部使用地平装置，主镜面重22吨，但厚度仅有18厘米，采用主动光学支撑系统，指向精确度高达1秒，追踪精确度高达0.05秒，镜筒的重量为100吨，叉臂重量小于120吨。它主要为搜索太阳系邻近恒星的行星、研究星云内恒星的诞生、观察活跃星系核内可能隐藏的黑洞以及探索宇宙边缘等提供服务。
大天区面积多目标光纤光谱望远镜（LAMOST）：安放在中国国家天文台兴隆观测站，是一架中星仪式的反射施密特望远镜，长50米、高30米，它的有效通光口径为4米，焦距为20米，视场高达20平方度（整个宇宙空间约有4万平方度），能同时观测4000个目标的光谱。它将主动光学技术应用于反射施密特系统中，在追踪天体运动的同时进行实时球差改正，并且具备了大口径和大视场的功能。LAMOST的球面主镜和反射镜均使用拼接技术，并且采用多目标光纤的光谱技术，光纤数目高达4000根，而普通望远镜仅仅含有600根。LAMOST将极限星等推高至20.5等，比SDSS计划（美国斯隆数字巡天计划）高出2等。2010年4月17日，LAMOST被正式命名为“郭守敬望远镜”。郭守敬是中国元代科学家，在天文、历法、水利和数学等方面都取得了卓越的成就，制订出了通行360多年的《授时历》，成为当时世界上最先进的一种历法。
射电望远镜是探测天体射电辐射的基本设备。1932年，央斯基以无线电天线探测到银河系中心的人马座方向发射的射电辐射，代表着人类在传统光学波段之外研究天体的开端。1937年，美国人G·雷伯制造出第一架射电望远镜。1946年，英国曼彻斯特大学制造出直径66.5米的固定式抛物面射电望远镜；1955年，再次制造出可转动抛物面射电望远镜，并且还是当时世界上最大的射电望远镜。20世纪60年代，美国在波多黎各阿雷西博镇建造了直径305米的抛物面射电望远镜，这是全世界最大的单孔径射电望远镜，它顺着山坡被固定在地面上，所以无法转动。1962年，赖尔发明了综合孔径射电望远镜，并因此获得了1974年诺贝尔物理学奖。综合孔径望远镜可以让多个小天线结构获得一个大口径天线结构的功能。20世纪70年代，德国在波恩附近建造了直径100米的全向转动抛物面射电望远镜，它是全世界最大的可转动单天线射电望远镜。
射电望远镜可以测量天体射电的强度、频谱以及偏振等量，要求具有高空间分辨率和高灵敏度。天文学上的四大发现：类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射，均与射电望远镜有关。射电望远镜的每一次长足进步都让天文学的发展向前迈进一大步。
红外望远镜：用于接收天体红外辐射的望远镜。红外观测始于18世纪末期，由于地球大气的吸收和散射，在地面上进行的红外观测只局限于几个近红外窗口，想获得更多红外波段信息就必须进行空间红外观测。红外天文学观测从19世纪下半叶正式开始，最初使用高空气球，后来逐渐发展到使用飞机运载红外望远镜或探测器进行观测。1983 年1月23日，美国、英国和荷兰联合发射了第一颗红外天文卫星IRAS，这颗卫星的主体部分是一架57厘米口径的望远镜，它的主要任务是巡视天空。IRAS的成功发射极大地推动了红外天文的发展，IRAS的观测到现在仍然是天文学的热点话题。1995年11月17日，欧洲、美国和日本合作的红外空间天文台IS0升空。ISO的主体部分是一架60厘米口径的R–C式望远镜，功能和性能都比IRAS完善。ISO优于IRAS的方面：波段范围大、空间分辨率高、灵敏度高（大约是IRAS的100倍）。
紫外望远镜：紫外波段是介于X射线和可见光之间的频率范围，观测波段为100至3100埃。在观测紫外波时，需要避免臭氧层和大气层对紫外线的吸收，所以只能在150千米以上的高空。从一开始利用气球将望远镜带到高空中观测，到后来使用火箭、航天飞机、卫星等空间技术，紫外观测有了很大的发展。1968年，美国成功发射0A0–2卫星，随后欧洲发射了TD–1A卫星，它们的主要任务都是观测天空中的紫外辐射。1972年，美国的OAO–3卫星发射升空，并被命名为“哥白尼”号，装载着一架0.8米口径的紫外望远镜，正常工作了9年，观测到950至3500埃的紫外光谱。1990年12月2日到11日，美国的“哥伦比亚”号航天飞机搭载天星一号天文台（Astro–1）进行了空间实验室第一次紫外光谱的观测；从1995年3月2日开始，天星二号天文台（Astro–2）完成了为期16天的紫外天文观测。1999年6月24日，FUSE卫星发射升空，这是美国国家航空航天局（NASA）“起源计划”中的一个项目，主要任务是要回答天文学上有关宇宙演化的基本问题。在全波段天文学中，紫外波段是非常重要的组成部分，自“哥白尼”号成功升空至今，已经陆续发展了紫外波段的EUV（极端紫外）、FUV （远紫外）、UV（紫外）等多种探测卫星，将全部紫外波段完全覆盖了。
X射线望远镜：X射线辐射的波段是0.01至10纳米，其中波长较短，也就是能量较高的被称为硬X射线，波长较长的被称为软X射线。天体中的X射线无法达到地面，在人造地球卫星升空后，天文学家才得到关于X射线的重要观测结果，X射线天文学也得以发展起来。1962年6月，美国麻省理工学院的研究小组首次接收到从天蝎座方向传来的X射线，令X射线天文学进入了快速发展轨道。之后，高能天文台1号和2号成功发射，X射线波动的巡天观测由此展开，X射线的观测研究也向前跨出了一大步，迎来了X射线的观测高潮。
γ射线望远镜：γ射线相较硬X射线，有能量更高、波长更短的特点。由于地球大气的吸收，对γ射线的天文观测只能通过高空气球和人造卫星搭载仪器进行。1991年，美国通过航天飞机将康普顿空间天文台（CGRO）送入地球轨道。它的主要任务是对γ射线波段进行首次巡天观测，同时也对能量较高的宇宙γ射线源进行灵敏度高、分辨率高的成像、能潜测量以及光变测量等，取得了许多有意义的科研成果。CGRO配备了4台仪器，它们在规模和性能上都比以往的探测设备有显著的提高，这些设备促进了高能天体物理学的发展，也标志着γ射线天文学进入成熟阶段。
哈勃太空望远镜（HST）：空间技术的进步，让在大气外进行光学观测成为可能，空间望远镜也由此诞生。空间观测设备与地面观测设备相比，具有显著的优势。首先，接收的波段范围更广，短波能够达到100纳米；其次，消除了大气抖动的不利因素，望远镜的分辨能力大大提高；另外，空间中没有重力，仪器不会由于自重出现变形。HST是美国国家航空航天局主持建造的4座巨型空间天文台之一，也是天文观测中规模最大、投资最多、最引人注目的一个项目。HST于1978年开始筹建，历时7年完成设计，并于1990年4月25日由航天飞机运载升空。但由于人为因素导致了主镜光学系统的球差，美国国家航空航天局不得不在1993年12月2日对其进行大规模修复。设计用来改正主镜球面像差的仪器被称为“空间望远镜光轴补偿校正光学”（COSTAR），包含两个在光路上的镜子，其中一个可以校正球面像差，光线被聚焦到暗天体照相机、暗天体光谱仪和高达德高解析摄谱仪。这次修复很成功，让HST的分辨率高出地面大型望远镜几十倍！2020年1月，一个国际天文学家团队利用HST发现了迄今已知的最遥远、最古老的星系群，这个三重星系群被称为EGS77。更重要的是，观测表明这个三重星系群参与了早期宇宙被称为“再电离”的改造过程。EGS77大约诞生于宇宙大爆炸后6.8亿年，当时宇宙年龄还不足现今138亿岁的5%。