典型的有20世纪80年代的X射线天文卫星（EXOSAT）、90年代的钱德拉X射线天文台等。与伽马射线类似，在大气层中X射线会被大幅吸收，因此观测它们需要在高空或太空中进行。发射X射线的天体有很多种，如星系团内的高温气体，活动星系核中超大质量黑洞的吸积、超新星遗迹、带有一颗白矮星的双星（激变变星）、带有中子星或黑洞的双星（X射线双星）等。有些太阳系中的天体也会发射X射线。而月球不仅能够反射来自太阳的X射线，太阳风中的高能粒子（主要是质子）高速撞击到月球表面后还会激发月球表面的物质粒子，从而产生X射线。宇宙还存在有很多还无法一一解析分辨的X射线源，一般认为它们发射出的X射线集体形成了观测到的X射线背景。

1970年12月，美国在肯尼亚发射了人类历史上第一颗X射线天文卫星—乌呼鲁卫星，即“小型天文卫星”1号。该卫星在轨期间进行了系统的X射线巡天，发现了许多银河系中的X射线双星、来自遥远星系团的X射线，以及第一个黑洞候选天体—天鹅座X-1。于1978年公布了包括339个X射线源的乌呼鲁X射线源表（4U）。

继乌呼鲁卫星之后，1970年至20世纪80年代，各国（地区）相继发射了一系列X射线天文卫星，包括英国的“阿里尔”5号、荷兰天文卫星、美国的“小天文卫星”3号、“高能天文台”1号和“高能天文台”2号（又称“爱因斯坦卫星”）、欧洲的X射线天文台卫星、日本的银河卫星等。美国的“天空实验室”也安装了X射线望远镜用于观测太阳。其中，1978年发射的爱因斯坦卫星首次采用了大型掠射式X射线望远镜，能够对X射线源进行成像，是20世纪70年代取得成果最多的X射线卫星。

20世纪90年代，意大利和荷兰共同研制的贝波X射线天文卫星（BeppoSAX）发现了伽马射线暴的X射线余辉。德国、美国、英国联合研制的伦琴卫星（ROSAT）在软X射线波段进行了高灵敏度的全天巡天观测，在9年时间里发现了十几万个X射线源。1993年日本发射的“宇宙学和天体物理高新卫星”（ASCA）卫星则首先将电荷耦合器件（CCD）设备用于X射线成像。美国的罗西X射线时变探测器（RXTE）虽然不能成像，但是能够探测X射线源的快速光变。1999年，两颗重要的X射线天文卫星—美国的钱德拉X射线天文台和欧洲的XMM-牛顿卫星先后发射升空。后者具有非常高的有效探测面积和高谱分辨率，而前者兼具了非常高的空间分辨率（0.5角秒）和高谱分辨率。它们是21世纪初X射线天文学主要的观测设备，开启了X射线天文学的新时代，取得了一大批重要的研究成果。截至2006年，正在工作的X射线天文卫星有欧洲的XMM-牛顿卫星、美国的罗西X射线时变探测器、钱德拉X射线天文台、日本的“朱雀”号卫星。此外，欧洲的国际伽马射线天体物理实验室（INTEGRAL）、美国用于观测伽马射线暴的“雨燕”卫星（Swift）、日本用于观测太阳的日出卫星也安装有X射线观测设备。