早期的天文观测是用人眼来进行的。望远镜发明以后，人们开始利用仪器的大量观测结果，确定天体的位置、分布和运动。
公元前129年，喜帕恰斯编制星表时，将肉眼能见的星分为六个亮度等级。这就是利用人眼作为辐射接受器，粗略地进行光度测量的研究结果。这种观测方法就属于光学天文学的范畴。
1609年，伽利略使用望远镜观测天体，发挥了望远镜的增大光通量密度和放大视角的作用，开创了现代光学天文学。他不仅绘制了月面图，观测到金星的盈亏，还看到了太阳黑子并判明银河是恒星组成的。
随着生产力的发展和科学技术的进步，光学望远镜的精密度越来越高，口径越来越大，从而不断发现新天体和观测到新天象。由于三种物理方法(分光学、光度学、照相术)应用于天文学领域，逐步奠定了太阳物理学、恒星物理学等天体物理学分支学科的基础。
自从基尔霍夫说明了吸收线的产生原因以后，分光学在天体观测中起着极重要的作用。通过观测和研究，人们不但能测定天体的温度、密度、压强等物理特性，而且能得到天体化学成分的数据。
近代天文学的各分支，特别是理论天体物理学，在理论物理的影响下，发展得更加迅速。太阳色球的单色光观测研究，太阳黑子磁场的发现，造父变星周光关系的发现，赫罗图的建立，星际消光的证明，星系是由恒星和星际物质组成的证明，星系的谱线红移以及银河系自转、恒星自转、星协、星链以至天王星光环的发现，都是光学天文学的重大成就。
近几十年来射电天文学的兴起，红外天文学的复兴，以及紫外天文学、X射线天文学、 射线天文学的诞生，使现代天体物理学进入自然科学的前沿阵地。但是，光学天文学与上述各分支学科相互配合，仍然不断作出贡献，促进有关学科向前发展。
