Un osservatorio spaziale è qualsiasi strumento (come un telescopio) nello spazio esterno che viene utilizzato per l'osservazione di oggetti lontani. Pianeti, stelle, galassie e altri oggetti spaziali possono essere visti e registrati. Questa categoria non comprende gli osservatori nello spazio che sono puntati verso la terra a scopo di ricognizione, meteorologia e altri tipi di raccolta di informazioni.

Tutta l'osservazione dello spazio dalla Terra è filtrata attraverso l'atmosfera terrestre. L'atmosfera filtra e distorce ciò che viene visto e registrato.

I telescopi satellitari hanno aperto l'Universo agli occhi dell'uomo. La turbolenza nell'atmosfera terrestre offusca le immagini riprese dai telescopi terrestri, un effetto noto come vedere. È questo effetto che fa "scintillare" le stelle nel cielo. Di conseguenza, le immagini scattate dai telescopi satellitari in luce visibile (ad esempio, dal telescopio spaziale Hubble) sono molto più chiare dei telescopi terrestri, anche se i telescopi terrestri sono molto grandi.

L'astronomia spaziale è vitale per le gamme di frequenza al di fuori delle finestre ottiche e radio. Per esempio, l'astronomia a raggi X è quasi impossibile se fatta dalla Terra. Ha raggiunto la sua attuale importanza in astronomia grazie ai telescopi a raggi X orbitanti. Anche gli infrarossi e gli ultravioletti sono in gran parte bloccati dall'atmosfera. La maggior parte degli osservatori spaziali sono in orbita terrestre bassa.