天文卫星的观测仪器不受大气影响，接收来自宇宙的无线电波段、红外波段、可见光波段、紫外波段、X射线波段和γ射线波段的电磁辐射、高能宇宙线以及天体活动的引力波，用于研究天体物质组成、结构、位置、运动状态以及天体间相互作用等物理及天文现象。天文卫星的观测推动了恒星和星系物理的迅速发展。
美国于1960年发射了第一颗天文卫星“太阳辐射监测卫星”系列中的“太阳辐射监测卫星”1号，对太阳进行紫外和X射线观测。1990年美国发射了哈勃空间望远镜，对遥远的天体进行深度的综合观测。中国于2015年发射了用于探寻暗物质存在证据的“悟空”号卫星，2017年发射“慧眼”号卫星，对黑洞、中子星等天体开展X射线探测以及对伽马射线暴进行监测。
按观测谱段的不同，天文卫星分为光学观测类天文卫星、微波探测类天文卫星、射电观测类天文卫星及高能观测类天文卫星。通常根据观测目标配置不同谱段的观测载荷。
主要有：①轨道。天文卫星的轨道根据观测任务和能力约束，采用多种类型，包括地球轨道、绕日轨道、日地平衡点轨道等。随着运载技术的发展，更多的天文卫星选择日地平衡L1点和L2点作为卫星的运行轨道，提高卫星的观测性能。②控制。天文卫星必须在广阔的宇宙空间找到所观测的特定天体，并把观测仪器指向这个天体。这就要求卫星具有极为精确的定向能力和高的姿态控制精度。已经发射的天文卫星的定向和控制精度已达到角秒或亚角秒的数量级。因此，天文卫星通常利用太阳和其他恒星位置作为定向的参考基准。在卫星上装有星敏感器、导星仪等高精度的测量仪器，以确定方向。③结构。天文卫星在结构上必须有很高的安装精度和结构稳定性。有些装有光学望远镜，结构热变形必须降低到最小才能保证观测精度。同时需要减振和隔振措施，使得卫星产生的振动对观测的影响降到最小。
美国哈勃空间望远镜、“宇宙背景探测者”号卫星等天文卫星的空间运行，促进了人类对太阳系、银河系、恒星演化和星系空间等领域理解，发现了类星体、活动星系、微波背景辐射、脉冲星、类星体和星际有机分子、X射线双星、γ射线源、宇宙加速膨胀、引力波等天文现象，更新了人类对宇宙的认识。随着人类空间探测技术的发展，新技术、新方法、新原理不断应用，将促进空间天文学的发展以及人类对宇宙的认识。詹姆斯·韦伯空间望远镜[注]的发射将人类的视野扩展到130亿光年前的宇宙，空间引力波探测将为空间天文学开辟一个有别于电磁波段的新窗口。
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