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 يُظهر كيف يبدو سطح بلوتو، رُسم بناءً على أحد نموذجين أعدّهما فريق من الفلكيين اعتماداً على خصائص غلاف بلوتو الجوي المرصودة. وتُظهر الصورة مساحات من الميثان الخالص على السطح. في حين أن الشمس تظهر صغيرة، حيث أنها أخفت على بلوتو بـ 1,000 مرة منها على الأرض
... أنه تم اكتشاف كوكب بلوتو بواسطة رصد تغيرات بالغة الصغر في مدار كوكبي أورانوسونبتون، وكان يُظن حينها أنه بحجم الأرض. لكن لاحقاً بعد معرفة حجم بلوتو الحقيقي، أدّى لغز الكتلة المفقودة - مع بعض الأمور الأخرى - إلى اكتشاف حزام كايبر.
... أن أول من صنع تلسكوباً كان غاليليو غاليلي (في الصورة)، وكان أول ما رصده به هو كوكب المشتري، وحينها اكتشف أقماره الأربعة الكبيرة التي سميت نسبة إليه "الأقمار الغاليلية".