对于空间天文观测，天文观测设备搭载卫星平台或作为主要有效载荷，在地球大气层外直接进行天文观测。由于没有大气层的阻挡，卫星所载的观测设备能接收到来自天体的从无线电波段到红外波段、可见光波段、紫外波段直到X射线波段和γ射线波段的电磁波辐射。与高空科学气球和探空火箭不同，人造卫星使得天文观测设备完全摆脱了地球大气层的影响，携带的观测设备更多，留空时间更长。借助于卫星平台的定向系统、轨道控制系统、姿态控制系统，以及数据传输系统，天文观测设备的探测能力和条件得到极大改善。天文卫星的观测推动了太阳物理、恒星和星系物理的迅速发展，人造卫星的应用使空间天文学获得了一次质的飞跃，促进空间天文学发展成为一门独立的分支学科。

自1957年第一颗人造卫星上天以后，各国发射了许多系列型号的卫星，其中包括一系列的天文卫星。按照观测对象，天文卫星可以分为太阳观测卫星和非太阳观测卫星；按照观测波段，天文卫星可以分为光学天文卫星（红外天文卫星、紫外天文卫星等）、X射线天文卫星和γ射线天文卫星。

1960年美国发射的太阳辐射监测卫星1号（见太阳辐射监测卫星）是世界上第一颗天文卫星，它的发射揭开了人类利用卫星进行太阳探测和研究的序幕。至1976年，太阳辐射监测卫星系列发射了10颗卫星，用于探测太阳X射线和紫外线的辐射通量。同时期，美国还发射了另外多个系列的天文卫星，包括轨道太阳观测台（OSO）、轨道天文台（OAO）以及高能天文台（HEAO），这些系列卫星分别发射了8颗、3颗和3颗。美国发射的天文卫星从时间、数量以及技术难度等方面均处于领先水平。此外，苏联、欧洲各国以及日本等国家先后发射了很多天文卫星进行空间天文的观测。

1971年开始，中国的实践系列卫星中搭载通过搭载一系列的探测仪器，开始进行宇宙线、太阳X射线等方面的观测，获取了有关地球磁场、太阳紫外线、太阳X射线、带电粒子辐射背景等数据。

进入21世纪，中国开启了探月与深空探测，按照“绕落回”三步有计划地开始对月球进行天文观测等研究任务。嫦娥一号、嫦娥二号搭载了CCD立体相机、激光高度计、微波探测器、太阳高能粒子探测器、干涉成像光谱仪、X射线探测器、γ射线探测器以及低能离子探测器等多台有效载荷；嫦娥三号则在国际上首次使用了极紫外相机、测月雷达、月基天文望远镜等月球探测器。“十二五”期间，空间科学先导专项开始实施，建立了中国第一个科学卫星系列，为中国从航天大国走向航天强国奠定了基础。2015年12月，空间科学先导专项首发星“悟空”号暗物质粒子探测器卫星成功发射，标志着中国空间科学探测研究迈出了重要一步。