做为一门科学，天文学有些困难之处，由于距离的遥远，要直接验证宇宙的特性是不可能的。然而，有为数众多的恒星可以被观察到，已经能够让天文学家获取一些事实的真相。这些观测到的资讯所绘制成的各种图表，与纪录足以显示一般的趋向。变星就是很贴切的具体例证，能借由变星的特性，测量出遥远天体的距离。这一种类的距离指标，足以测量邻近的距离，包括附近的星系，进而对其他现象进行测量。

在17世纪发明望远镜前，早期的观测天文学只能依赖肉眼以及各种用于测量时间和方向的仪器。第谷有系统的观测行星，他所搜集的资料让开普勒得以建立行星运动的法则。
人类非常关心天空，因而在历史上留下许多纪录。古老的巨石阵就是为了观察太阳的运动来测量时间而建立的，星座是由一些恒星宰天空中组成的图样，并且与地球上的季节变化连结在一起，也流传下来许多的神话与传说。
不使用望远镜，单靠眼睛也能做许多不同的观测，古老的记录记载了一些突然出现在天空中的亮星，被称为超新星，甚至在白天也能看见。也记录了被视为灾难预兆的彗星，还有划过天际的流星。在现代，科学家透过在南极冰原上搜集到的大量陨石，可以研究和测量小行星，甚至火星的表面。

在天文观测漫长的历史上，几乎所有的观测者都使用过光学望远镜在可见光的波段内观测。地球的大气层在可见光这一段是相当透明的，但许多的望远镜仍然要依赖视象的条件(宁静度和大气的透明度)，并仅限于在夜间观测。视象条件取决于空气的对流湍流和热扰动，长期多云或遭受大气扰动都会影响到观测成象的解像能力和稳定度。因为大气有强烈的散射作用，出现在天空的月光加上灰尘也会照亮天空和散射光线，妨碍对暗弱天体的观测。
由于影响成象质素的绝大程度因为空气的扰动，脱离大气层的太空无疑是放置光学望远镜的最佳地点。但将望远镜放置在轨道中的费用太高，所以退而求其次的地点是拥有晴空和良好的大气条件，也就是视象良好的高山。在夏威夷群岛中的大岛上的毛纳基峰，和La Palma都具有这些条件。在内陆一点的地点，像智利安地斯高原的大型厘米波与毫米波阵列（Llano de Chajnantor）、帕瑞纳天文台、托洛洛山美洲际天文台与欧洲南方天文台下属的拉希拉天文台，这些观测地点都吸引了数十亿美元的投资，建立了许多拥有大望远镜的天文台。
光学天文学很重要的一个条件是需要足够黑暗的夜空。当城市规模与人类活动的版图不断扩张时，晚上的人造灯光（光害）也越来越多。这些人造的灯光照亮夜晚的天空，加上人类活动造成的各种空气污染引起的灰尘散射灯光的双重效应，使得背景天空变得灰暗，对光度微弱的天体观测越加困难，必须要特别的滤光镜来隔绝背景光的干扰。在有些地区，如美国亚利桑那州、英国和日本与香港，都有民间团体在研究与发起以减少光污染。鼓励为街灯装上反射罩，不仅能使照向地面的灯光增加，也使直接射进天空的光量降低。但因与城市的经济发展相违背，对于推广意识的淡薄与对科学的不重视之下，尤其在发展中国家，这样的状况蚕食一些古老的天文台至不再能作观测。如北京古观象台与南京紫金山天文台等。