Dícese de los telescopios o cualquier otra instrumentación astronómica embarcada a bordo de satélites o plataformas espaciales. El objetivo es hacer las observaciones fuera de la atmósfera para evitar la atenuación y distorsión que producen los componentes y movimientos de la atmósfera terrestre. Los observatorios espaciales permiten observar en longitudes de onda menores (ultravioleta, rayos X, rayos gamma) y mayores (infrarrojo, microondas y radio) que las correspondientes a la luz visible. Además, las observaciones en el visible realizadas desde satélites son de mejor calidad, ya que de esta manera se pueden eliminar los efectos de la contaminación lumínica, de la turbulencia atmosférica y de los problemas meteorológicos, así como el ciclo noche-día, siendo posible alcanzar el límite de difracción como resolución óptica del instrumento. Los observatorios espaciales pueden trabajar de dos formas: en modo barrido, en el que se observa una franja determinada del cielo o todo él, por medio de imágenes contiguas consecutivas, o en modo observatorio, en el que se observa sucesivamente en direcciones específicas de interés astronómico.
