目前，从观测手段上来看，天文学已发展成光学天文学、射电天文学和空间天文学3个分支学科。
从前面的内容我们知道，天文学的主要实验方法就是观测。随着社会的进步及科技的发展，天文观测的手段越来越丰富，也越来越先进。
在远古科技不发达的时候，人们进行天文观测都是用人眼来进行的。直到望远镜发明以后，人们才开始逐步利用仪器的大量观测结果来确定天体的位置、分布和运动。
业创兰主持选定并建成的北京天文台兴隆观测站，现今斯天文台从事光学天文学是实测天体物理学的重要组成部分。它是利用光学仪器来观测天体的形态、结构，研究它的化学组成和物理状态。1609年，伽利略使用望远镜观测天体，开创了现代光学天文学，并通过它不仅史无前例地绘制出了完整的月面图，观测到了金星的盈亏，还看到了太阳黑子，并证明银河是由恒星组成的。
现在，生产力的发展和科学技术的进步越来越快，天文学家不断发现新的天体，天文现象也越来越多，这些都跟光学望远镜的不断完善和提高有着很大的关系。而分光学在天文观测中的作用，在基尔霍夫解释吸收线产生的原因之后，就更加明显和重要了。人们不但能通过观测来测定天体的温度、密度、压强等一些物理特性，而且还能通过研究得到天体化学成分的一些数据。
通过观测天体的无线电辐射来研究天文现象的叫射电天文学。因为会受到地球大气的影响，所以地面射电天文的观测研究只能在波长1毫米～30米的波段间进行。射电天文学研究的内容与光学天文学差不多，比如探讨天体的物理状态、化学组成和演化过程等。
过去，我们看到的只是天体的光学形象，而无线电则是射电天文学给我们的另一个惊喜。因为无线电波可以穿过光波通不过的尘雾，那些通过光学方法看不到的地方在无线电出现以后就再不是难题。
对于历史悠久的天文学而言，射电天文学用一种崭新的手段，为天文学开拓了新的园地，空间天文学随之兴起。人们对空间天文学的研究开始于20世纪40年代。空间天文学的观测和研究是在高层大气和大气外层空间区域进行的，它突破地球大气的障碍，扩展了天文观测波段。随着空间科技的发展，空间天文研究也开始有了一个广阔的前景。