Астрономи́ческая обсервато́рия — учреждение, предназначенное для проведения систематических наблюдений небесных тел; возводится обыкновенно на высокой местности, с которой открывался бы большой кругозор во все стороны. Каждая обсерватория оборудована телескопами, как оптическими, так и работающими в других областях спектра (радиоастрономия).
Так как необходимость астрономических наблюдений для разделения времени и для земледельческих работ была осознана ещё в самые первые времена зарождения человеческой культуры, то начало устройства обсерваторий теряется в глубокой древности. Личным персоналом прежних обсерваторий были жрецы и служители религии. Халдеи строили зиккураты или храмы-обсерватории; у китайцев, как филиальные отделения математического трибунала, с незапамятных времён существовали обсерватории в Пекине, Лояне и других городах; египетские пирамиды, судя по ориентированию их боков по странам света, тоже возводились с целью производства известных астрономических наблюдений; следы существования прежних обсерваторий найдены в Индии, Персии, Перу и Мексике. Кроме больших правительственных обсерваторий в древности возводились и частные, например, пользовавшаяся большой известностью обсерватория Евдокса в Книде.
Главными инструментами древних обсерваторий были: гномон для систематических наблюдений полуденных высот Солнца, солнечные часы и клепсидры для измерения времени; без помощи инструментов наблюдали Луну и её фазы, планеты, моменты восхода и заката светил, прохождения их через меридиан, солнечные и лунные затмения.
Первой обсерваторией в современном смысле этого слова был знаменитый музей в Александрии, устроенный Птолемеем II Филадельфом. Ряд таких астрономов, как Аристилл, Тимохарис, Гиппарх, Аристарх, Эратосфен, Гемин, Птолемей и другие подняли это учреждение на высоту небывалую. Здесь впервые начали употреблять инструменты с разделёнными кругами. Аристарх установил на портике музея медный круг в плоскости экватора и с его помощью наблюдал непосредственно времена прохождения Солнца через точки равноденствия. Гиппарх изобрёл астролябию с двумя взаимно перпендикулярными кругами и диоптрами для наблюдений. Птолемей ввёл квадранты и устанавливал их при помощи отвеса. Переход от полных кругов к квадрантам был, в сущности, шагом назад, но авторитет Птолемея удержал квадранты на обсерваториях до времён Рёмера, который доказал, что полными кругами наблюдения производятся точнее, однако квадранты были совершенно оставлены только в начале XIX века.