Teleskopet er astronomens vigtigste redskab. Optiske teleskoper kommer i to grundlæggende typer: refraktorer (linseteleskoper) og reflektorer (spejlteleskoper). Alle store astronomiske teleskoper er refraktorer. Store teleskoper opsamler mere lys og har højere opløsningsevne. Diffraktionsgrænsen er den begrænsende opløsningsevne for et teleskop.
Fotografi, forbedrede astronomernes evne til at gemme oplysninger om svage objekter der sås i teleskoper. Moderne CCD’ere, er nutidens valg af astronomisk detektor, fordi de er meget mere lineære, har bredere spektral reaktion, og kan sende elektroniske billeder direkte til computeren.
Jordens atmosfære, blokerer for mange spektrale områder og forvrænger teleskopiske billeder. Radio- og infrarøde teleskoper, er i stand til at se gennem vores atmosfære og gennem enorme skyer af kosmisk støv og gas. Radio- og optiske teleskoper kan grupperes, og dermed i høj grad øge vinkelopløsningen.
Ved at opsende teleskoper i rummet, løses problemerne der er skabt af Jordens atmosfære.
Det meste af hvad vi ved om planeterne og månerne, kommer fra observationer foretaget af rumfartøjer. Passageflyvninger og kredsløbsmissioner indhenter data om objekter fra rummet og landere og rovere indsamler data fra overfladen af objekter.
Astronomer bruger også partikelacceleratorer, neutrinodetektorer og tyngdebølgedetektorer for at studere universet. Supercomputere er essentielle for erhvervelsen, analysen og fortolkningen af astronomiske data.
Teleskoper der laver observationer i mikrobølgeområdet, har opdaget strålingen der blev tilbage efter Big Bang.