أجرى علماء الفلك الأوائل ملاحظات منهجية للسماء في المساء، حيث تم اكتشاف تحف فلكية خلال فترات مبكرة جداً. ومع ذلك، كان من الضروري اختراع التلسكوب قبل أن يتطور علم الفلك ليصبح من العلوم الحديثة. شمل علم الفلك تخصصات متنوعة على مر التاريخ مثل القياسات الفلكية، والملاحة الفضائية، وعلم الفلك النسبي، ووضع التقاويم، وعلم التنجيم، ولكن علم الفلك الاحترافي يعتبر مرادفاً لعلم الفيزياء الفلكي.
منذ القرن العشرين انقسم مجال علم الفلك إلى فرع علم الفلك الرصدي وعلم الفلك النظري. ويركز علم الفلك الرصدي على استخدام المراصد على الأرض والمراصد الفضائية لتجميع الصور وتحليل البيانات باستخدام أجهزة للرصد مثل التلسكوب وتلسكوب الأشعة تحت الحمراءوتلسكوبات الأشعة السينية وأشعة غاما. بينما يهتم علم الفلك النظري بصياغة نظريات وتطوير نماذج للعمليات الفيزيائية التي تجري في مختلف الأجرام السماوية من نجومومجرات وتجمعات المجرات وانفجارات أشعة غاما التي تحدث في بعض النجوم، وحسابها بالحاسب الآلي أو النماذج التحليلية في محاولات للتوفيق بين الحسابات مع ما تؤتي به القياسات لفهم وتفسير مختلف الظواهر الفلكية وتأثيرها على الأرضوالإنسان. يكمل الفرعيين بعضهما البعض، حيث يسعى علم الفلك النظري إلى تفسير النتائج الرصدية والظواهر الفلكية، وتكون المشاهدة العملية التي نحصل عليها من الرصد هي الحاكم على صحة النتائج النظرية.
رسم خيالي لثقب أسود تتشوه حوله صور النجوم التي وراءه
... أن الضوء يستغرق سنوات حتى يصل إلينا من الأجرام البعيدة، وهكذا فنحن نرى المظهر الذي كانت تبدو عليه بالماضي. فالنجم الذي يبعد عنا خمس سنوات ضوئية يحتاج ضوؤه إلى خمس سنوات للوصول إلينا.
... أن الطيف المرئي بألوانه السبعة لا يُشكل إلا جزءاً صغيراً من طيف الضوء الكامل (الطيف الكهرومغناطيسي)، حيث لا يُمكن للعين البشرية إلا رؤية جزء صغير من الأطوال الموجية للضوء. ومن المفيد أحياناً استخدام أطوال موجية أخرى لرصد الأجرام السماوية. (انظر أيضاً: علم الفلك للأشعة السينية).
