Un observatoire astronomique est un lieu destiné à l'observation astronomique. Les laboratoires modernes sont largement dotés d'instruments scientifiques; d'abord mécaniques (quadrant, astrolabe, etc.) puis optiques (lunette, télescope), électriques et enfin électroniques.
Ce sont des observatoires anciens qui servaient surtout à l'agriculture, l'astrologie, la mesure du temps et des saisons, comme, par exemple :

* Abu Simbel et Nabta Playa en Haute Égypte ;
* Stonehenge, Angleterre ;
* Karahunj, Arménie ;
* Angkor Wat, Cambodge ;
* Kokino, Macédoine ;
* le Cercle de Goseck, Allemagne.

Les observatoires modernes servent à observer, mesurer et quantifier les phénomènes présents dans l'univers. On en distingue différentes sortes :

* Les observatoires astronomiques au sol. Situés généralement en altitude, loin des sources de pollution lumineuse et chimique pour bénéficier d'une meilleure transparence de l'atmosphère. Ces observatoires sont dédiés à l'observation dans le domaine visible ou infrarouge (comme le VLT).
* Les radiotélescopes qui observent dans le domaine de longueur d'ondes de la radio, du milimétrique et sub-milimétrique (comme l'ALMA ou l'Iram PdB).
* Les télescopes solaires, qui servent à observer spécifiquement le Soleil.
* Les télescopes spatiaux ou satellites astronomiques. Ils servent à observer des longueurs d'onde qui sont bloquées par l'atmosphère terrestre, comme les ultraviolets ou les rayons X.
* Les observatoires de rayons cosmiques.
* Les observatoires de neutrinos, qui cherchent à détecter les particules ultra-légères que sont les neutrinos, en provenance de l'espace interstellaire, et du soleil.
* Les observatoires d'ondes gravitationnelles, dont les premières observations véritables commenceront d'ici peu (voir VIRGO, par exemple).

Les instruments radiométriques et centimétriques (VLA, Radiohéliographe de Nançay) ne sont pas gênés par l'atmosphère mais le sont par les sources parasites terrestres (ordinateurs et circuits électroniques, radio (bande FM), émetteurs de télévision et de téléphone cellulaire). Nombre d'observatoires historiques (Observatoires de Paris, Greenwich, Bruxelles) sont maintenant dans le centre de grandes villes, dans des sites peu favorables à l'observation à cause de l'éclairage nocturne et des diverses pollutions. Lorsqu'ils restent dédiés à la science, ils abritent des laboratoires où les chercheurs, ingénieurs et techniciens préparent les instruments et les demandes d'observation, traitent les observations obtenues, travaillent au quotidien. Les différents programmes d'observations des différents télescopes génèrent des données variées et volumineuses (qui se comptent en téraoctets), compilées dans des catalogues de données ou catalogue d'étoiles. Pour valoriser ces programmes et ces données et en faciliter leur exploitation, se développent depuis le début des années 2000, des observatoires virtuels.