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红外线、太赫兹波以及亚毫米波在远红外长波范围内相互覆盖，所以在讨论亚毫米波辐射时也常常会讨论到红外辐射。红外线波长覆盖范围很大，其中近红外部分离可见光最近，其波长在0.75到5微米之间，中红外线的波长在5到25~40微米之间，而远红外线的波长在25~40到350微米之间。在一些资料中，有时也使用短波红外和长波红外的说法。短波红外是波长比较接近可见光的红外辐射。
任何物体，只要它的温度大于绝对零度，就都会自发地向外发射红外线。所以红外观测是探测低温天体或者被尘埃遮挡的天体的重要手段。从望远镜对电磁波的探测特点看，在电磁波各个波段所探测的信息是完全不相同的，在X射线和伽马射线区域，天文望远镜所接收是粒子式的能量效应的相关信息；在光学波段，所接收的是光电或光化学效应的信息；在射电波段，所接收的是交流电压的信息；而在红外区域所接收的是热辐射温度信息。
在天文学上为什么要进行红外观测呢？第一，红外线穿透能力强，它可以穿透星际空间的尘埃，从而揭示在可见光波段中被尘埃遮挡的一些新星的存在。图3是哈勃空间望远镜对猎户座星云在可见光和近红外线波段观测中分别拍下的照片。在近红外线的照片上清楚地显示出在可见光照片中被遮挡的很多新星的辐射，在可见光照片上，这些区域几乎是一片漆黑。图4是猎户座区域的星云在可见光和远红外波段的照片。同样在可见光照片上，大部分的天区是一片漆黑，而在远红外波段的照片上则清楚地显示了星际尘埃吸收紫外线以后，辐射出的远红外辉光的图像。红外观测确实可以为天文学家提供光学观测所不能提供的天体辐射信息。
图3 猎户座星云在可见光和近红外波段上的照片
图4 猎户座在可见光和远红外波段上的照片
太阳在天顶位置所发出到达地球表面的热辐射大约为每平方米1千瓦，其中，527瓦属于红外辐射，445瓦属于可见光辐射，32瓦属于紫外辐射。人的身体所发射的红外辐射主要集中在波长10微米附近的区间。一般波长5微米以上的红外辐射统统被称为“热红外”，借助这种辐射，可以测量辐射体的温度。
在红外线的传输过程中，水汽是最主要的辐射吸收体。红外天文观测一般要在大气中水汽层的上方进行。在地球表面，红外辐射的透过率随海拔高度的提高而不断增加。在海平面，几乎不能够进行任何红外天文观测。红外天文观测只可以在干燥的高山顶上进行，这种高山的海拔高度一般要超过3千米。红外天文观测也可以在飞机、气球和火箭上进行，飞机的飞行高度在13千米到25千米之间；气球的飞行高度更高，达到25千米到50千米之间；火箭的飞行高度在100千米以下。当然最重要的红外观测常常是在空间轨道上进行的，空间红外天文望远镜的飞行高度在100千米以上，在这样的高度上，几乎没有大气层吸收的任何影响。
红外天文观测的发展直接受到红外接收器发展的影响。1592年，伽利略第一个发明了利用玻璃瓶中空气的热胀冷缩现象来测量温度的简易温度计。它是一个细长颈的玻璃泡，将它倒立在葡萄酒中，从玻璃泡中抽出部分空气，葡萄酒就会进入细长的颈中。玻璃泡内温度变化时，葡萄酒的高度就会变化。1714年，华伦海特发明了水银和酒精温度计，并且将氯化铵水溶液冰点的温度定为0度，将他的妻子的体温定为96度，建立了华氏温标。因此水的冰点是华氏32度，经后人校准，沸点被定为华氏212度。1742年，摄尔西乌斯将水的沸点定为0度，冰点定为100度，后来卡尔·林耐将其颠倒，形成了现在的摄氏温标。
18世纪晚期，出现了双金属效应温度计。1821年，塞贝克发现金属的热电效应，同时发现金属电阻会随温度变化的规律。不同金属连接在一起，放置在不同温度下，它们之间会产生电压，勒夏忒列据此发明了热电偶。热电偶可用来测量温度。为了提高测量的灵敏度，可以将热电偶串联起来以获得更好的温度响应，这就是热电堆。早期的红外天文观测都是用热电偶或者热电堆进行的。
由于金属的电阻会随温度而变化，1932年铂金的电阻温度计诞生。20世纪以后又发明了半导体温度传感器和金属氧化物温度计。20世纪50年代开始使用硫化铅接收器。这种接收器可以用于波长在1~4微米范围内的红外区间。当红外线照射到硫化铅时，它的电阻会发生变化。通过对电阻的测量可以推导出辐射的大小。为了提高灵敏度，可以将接收器放置在77开尔文的低温杜瓦瓶中。1961年，锗测温计的应用使红外观测取得了很大的突破。锗测温计灵敏度非常高，而且可以用于所有红外线范围。锗的导电率变化量和红外辐射量成正比，它可以在4开尔文的低温下工作。1983年，红外天文卫星（IRAS）使用了具有62个像元的红外接收器，现在的红外望远镜已经可以使用大面积的红外CCD面阵接收器了。
红外望远镜的光学设计和一般光学望远镜没有太多不同。他们使用几乎相同的反射镜或者透镜，并且成像于接收器上。不过由于所有的物体，包括镜面本身，在红外区域都会向其周围空间辐射能量，从而使噪声进入焦点区域，所以红外天文望远镜的设计有一些它们自身的特点：
（1）红外望远镜常常拥有较大的焦比和较小的视场。
（2）红外望远镜常常使副镜尺寸略小于所需要的尺寸，这样望远镜的接收器就看不到相对温度高的主镜室装置。
（3）红外望远镜常常用摆动副镜的装置来排除天空背景光的影响。
（4）和光学望远镜不同，红外望远镜一般不使用任何遮挡光线的光阑。这些光阑将发射出相当能量的红外辐射，成为杂散光。而在光学望远镜中，为了减少杂散光的影响，常常要使用复杂的光阑将不需要的光线挡住。
（5）红外望远镜光路中的结构表面常常要涂镀高反射率、低辐射率的镀层。一些红外望远镜的部件采用镀金处理的方法，以减少进入接收器的辐射噪声。另外在望远镜中也要注意保持视场中不同视场角上背景辐射的一致性。
（6）红外望远镜常常使用致冷光阑来减少望远镜的总噪声。由于红外望远镜需要在白天进行观测，所以它往往需要比光学望远镜具有更高的指向精度。