對宇宙天體和其他空間物質進行科學觀測的人造地球衛星。傳統的天文觀測都是在地面上由天文臺利用各種天文儀器進行的。但是來自天體的輻射，絕大部分被地球大氣層所阻擋，隻有其中的可見光波段和無線電波段能夠通過，因此在地面上使用光學天文望遠鏡和射電望遠鏡所觀測到的宇宙，隻是這兩個波段的電磁波輻射所提供的一幅很不完整的圖景，還有很大部分的宇宙真相不能看到。天文衛星在離開地面幾百公裡或更高的軌道上運行，因為沒有大氣層的阻擋，衛星上所載的儀器能接收到來自天體的從無線電波段到到紅外波段、可見光波段、紫外波段直到X射線波段和 γ射線波段的電磁波輻射。天文衛星的觀測推動瞭太陽物理、恒星和星系物理的迅速發展，並且促進瞭一門新型的分支學科──空間天文學的形成。
第一顆天文衛星是美國在1960年發射的“太陽輻射監測衛星”（Solrad-1），它測到瞭太陽的紫外線和X射線通量。從1962年開始，美國又發射瞭專門觀測太陽的“軌道太陽觀測臺”(OSO)衛星系列。1968年和1972年發射的“軌道天文臺”(OAO)衛星是最早的專門用於紫外天文觀測的衛星。1970年發射的“小型天文衛星”1號(SAS-1)，是第一顆X射線觀測衛星，取得瞭重要的成果，使發現的X射線源劇增到161個。第一顆專門用於γ射線天文觀測的衛星是1972年發射的“小型天文衛星”2號(SAS-2)。用於紅外天文觀測的衛星發射得較晚，1983年初才發射瞭第一顆紅外天文衛星(IRAS)。世界各國已經發射瞭許多天文衛星。
分類 按觀測目標的不同，天文衛星分為兩大類：以觀測太陽為主的太陽觀測衛星和以探測太陽系以外的天體為主的非太陽探測天文衛星。天文衛星也可按所載科學儀器的主要觀測波段來分類，如分為紅外天文衛星、紫外天文衛星、X射線天文衛星和γ射線天文衛星等。
軌道 天文衛星的軌道多數為圓形或近圓形，高度為數百公裡，但一般不低於400公裡。這是因為太陽系以外的天體離開地球極遠，增加軌道高度並不能縮短距離和改善觀測能力，徒然增加運載器的運載能力。軌道太低時大氣密度增加，衛星難以維持長時期運行。
控制 天文衛星必須在廣闊的宇宙空間找到所觀測的特定天體，並把觀測儀器指向這個天體，這就要求具有極為精確的定向能力和衛星姿態控制精度。已經發射的天文衛星的定向和控制精度已達到角分或角秒的數量級，比其他衛星的定向精度高幾十倍甚至上千倍。一些巡天測繪的天文衛星往往是自旋的，對控制的要求並不高，但仍然要求具有很高的定向能力。因此，天文衛星通常利用太陽和其他恒星位置作為定向的參考基準。在衛星上裝有星敏感器、星圖儀等高精度的測量儀器，把測到的星圖與標準星圖進行比較，以確定和計算方向。
結構 天文衛星在結構上必須有很高的安裝精度和結構穩定性。有些天文衛星裝有光學望遠鏡，結構熱變形必須降低到最小才能保證觀測精度，因此結構設計和選材要求很高。
觀測儀器 天文衛星上裝有各種復雜的科學觀測儀器，如紅外、紫外、X射線和可見光學望遠鏡等。這些儀器的構造復雜，制作困難。紅外望遠鏡需要使用液氦或液氫長期冷卻，探測元件必須處於接近絕對零度的超低溫條件下。天文衛星的觀測數據輸出量大，衛星控制復雜，往往需要使用衛星上電子計算機來進行信息處理和操作控制。
美國在60～70年代發射過3個系列的軌道觀測臺類型的天文衛星，它們是：“軌道太陽觀測臺”，“軌道天文臺”，“高能天文臺”。此外，美國和聯邦德國正在聯合研制一顆“空間望遠鏡”天文衛星。它的主體是一個直徑2.4米的反射式光學天文望遠鏡，觀測波長范圍從近紅外直到遠紫外，可能觀測到的宇宙距離比地面上最大的光學望遠鏡觀測到的距離還遠許多倍。