天体からの光を波長ごとに分けて（分光して）、スペクトルを取得する観測のこと。分光観測を行うために用いる装置のことを分光器と呼ぶ。分光観測は、天体の物理状態（温度、密度）や化学組成、運動状態などを知るために必須の観測手法である。天体の波長ごとの明るさを正確に測りながら分光することを分光測光観測、波長ごとの偏光度を測りながら分光することを偏光分光観測と呼ぶ。分光測光観測や偏光分光観測では、それぞれ分光標準星、偏光標準星などを分光してデータの校正を行う。