天文探测是航天应用的重要内容。用航天器进行天文探测具有许多无法替代的优越性。比如它可以飞近甚至登陆某些天体进行探测。地球围绕太阳飞行，在地球上只能对太阳赤道带进行探测，但“尤利西斯”号探测器却可以飞临太阳南北极上空进行探测；一航天器可以穿过哈雷黄星的管发对其进行探测；可以登陆月球、金星、火星等进行探测。它可以避开地球大气层的影响。一位天文权威作了一个形象的比拟，他说，在地面上透过大气层观测恒星，就像躺在湖底透过湖水看飞鸟一样困难。还有，航天器在运行轨道上观测星球,也避开了地球重力、绝大多数人工光源和电波的影响。
航天时代开始以来，美、欧、日、俄（苏）各国发射了许多航天时代开始来，美、欧、日、俄（苏）各国发射了许多进行天文探测的航天器，其中最为有名的是美国1990年4月用航天飞机送上太空的“哈勃”号太空望远镜，尽管由于制造过程中的差错，使它“近视”，但在1993年12月修复以前已获得许多观测成果。修复后，它可观测140亿光年之远的天体，能对29等的暗弱天体进行观测，图像清晰度是地面观测的10倍。人们指望它揭开宇宙起源和演变、神秘的黑洞、太阳系以外的行星等许多宇宙之谜。