地球大気の影響をまったく受けないで天体観測を行うために、大気圏外に打ち上げる人工衛星搭載の望遠鏡。天文衛星や宇宙天文台とも呼ばれ、固有名がつけられるものが多い。太陽系の惑星や惑星間空間の探査を目的とするものは惑星探査機あるいは宇宙探査機と呼ばれる。天体から地球に届く電磁波のうち、可視光、赤外線、電波の一部を除いて残りは地球大気に吸収されてしまう。また、大気を透過する波長帯であっても、大気からの（熱）放射が大きな背景雑音となる、透過率の変動により超高精度な測光観測は困難、大気ゆらぎにより天体像が乱される、などさまざまな大気による影響がある。このような影響を完全に避けるためには大気圏外に出る必要がある。

同様の目的で利用される航空機や気球、ロケットに搭載した望遠鏡に比較して、宇宙望遠鏡は最もコストや開発期間がかかるが、最も成果の期待できる手法である。人工衛星の軌道としては、地球を周回する低軌道（太陽同期軌道が含まれる）や長楕円軌道に加えて、観測条件の必要に応じて太陽を周回する地球追随太陽周回軌道、ラグランジュ点 L₂ なども選択される。