Tähtitieteellinen instrumentti viittaa yleensä sellaiseen laitteeseen, jota käytetään taivaankappaleiden tutkimiseen, havainnointiin tai mittaamiseen. Ne ovat tärkeä osa tähtitieteen tiedettä. Tähtitieteelliset instrumentit luokitellaan yleensä kahteen luokkaan. Ensimmäiseen luokkaan kuuluvat kaikki havainnointiin käytettävät instrumentit, kuten kaukoputki. Toinen luokka koskee instrumentteja, joita käytetään havaintolaitteiden antamien tietojen tallentamiseen tai standardointiin.
Tähtitieteellisillä havaintolaitteilla voidaan määrittää taivaankappaleen koko ja rakenne. Niitä voidaan myös käyttää laskemaan sen etäisyys Maasta. Muut instrumentit keräävät esineistä, kuten säteilystä, vapautuvaa taivaallista materiaalia. Säteily voi auttaa antamaan arvokasta tietoa näiden ilmiöiden ominaisuuksista.
Tiettyjen tähtitieteellisten instrumenttien käyttö riippuu yleensä sekä tarkasta taivaan ilmiöstä, jota tähtitieteilijä tutkii, että tutkimuksen tavoitteista. Taivaallisten ilmiöiden vaihteleva luonne on edistänyt erityyppisten välineiden kehittämistä, jotta niitä voitaisiin tutkia tarkemmin. Tähtitieteilijöiden erityistavoitteet ovat myös edellyttäneet uusien tekniikoiden kehittämistä näiden ilmiöiden analysoimiseksi paremmin.
Yleensä teleskooppeja pidetään yhtenä perustavanlaatuisista tähtitieteellisistä välineistä. Tiedehistorioitsijat seuraavat usein kaukoputken historiaa ihmiskunnan lasin ja linssien käytön alkuun. Historioitsijat ovat ehdottaneet, että ensimmäinen kaukoputki keksittiin vuonna 1608 Hollannissa, vaikka tarkan keksijän henkilöllisyydestä kiistellään. Seuraavina vuosina Galileo kehitti sen, mitä pidetään yleisesti näiden aiempien mallien parannettuna mallina.
Kaikentyyppiset kaukoputket on yleensä jaettu kolmeen luokkaan: taitekoskoopit, heijastavat teleskoopit ja peililinssit. Nämä kaukoputket eroavat toisistaan siinä, miten he käyttävät linssejä tai peilejä valon sieppaamiseen. Lisäaineita voidaan myös lisätä teleskoopin keskitasoon tiettyjen tehtävien suorittamiseksi. Termoelementti voidaan asentaa taivaankappaleiden lämpötilan mittaamiseksi. Spektrografioita voidaan käyttää valon arvioimiseen, kun taas valosähköisiä kennoja voidaan käyttää valon mittaamiseen.
Radioteleskooppeja käytetään taivaankappaleista lähtevien radioaaltojen keräämiseen. Nämä instrumentit on yleensä muodostettu radioantenneista. Koska monet taivaankappaleet lähettävät säteilyä radioaallonpituuksilla, radioteleskoopeilla voidaan kerätä erilaisia tietoja näiden kohteiden luonteesta.
Interferometri on eräänlainen tähtitieteellinen instrumentti, joka voi auttaa määrittämään taivaankappaleen koon. Nämä laitteet keräävät tietoja ilmiön häiriökuviosta. Matemaattisia kaavoja voidaan sitten käyttää laskemaan tietoja, kuten ilmiön kokoa.