世界最著名的天文台都是设在高原，如智利北部安第斯山脉的山间高原、海拔4200米的夏威夷莫纳克亚山山顶。气象条件和大气状况是影响天文观测的主要因素。海拔越高的地方，空气越稀薄，烟雾、尘埃、水蒸气等造成的扰动也越小。
位于安第斯山脉间的阿塔卡马沙漠，是世界上最干燥的地方，万里无云、气流稳定，世界上三分之一的天文观测设备便分布在这里的一座座山峰上，如66台高精度射电天文望远镜组成的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波天线阵（ALMA）。我国拥有世界屋脊—青藏高原，科学家致力于将这一区域打造成世界级的天文“高地”。海拔5100米的阿里天文台已初具规模，它是北半球海拔最高的天文台。探测原初引力波的“阿里实验计划”也已启动。
中国的500米口径球面射电望远镜（FAST）选址在贵州大窝凼—一处天然的洼地，其形状、深度和尺寸恰到好处地安放了这个“巨锅”。就好比跨越两山之间的桥梁，从谷底建桥墩肯定要比从半山腰上建要难，FAST建在洼地要比建在平地上稳定性更强，也更节省成本，否则用来悬吊FAST的核心部件—馈源舱的6座高塔就要比现在高得多，几乎难以实现。
350米口径的美国阿雷西博射电望远镜也是架在一个坑—波多黎各岛上的天然火山口中。搜寻和发现宇宙中的射电脉冲星是FAST的核心科学目标，尚处在调试期的FAST就已初显身手：探测到数十个优质脉冲星候选体，其中6颗通过国际认证。而利用阿雷西博取得脉冲双星的科学发现已经获得诺贝尔物理学奖。地下实验室，尤其是极深地下实验室，是探测宇宙中的暗物质、中微子以及开展其他高精尖实验的重要场所。
世界上最难挡住的就是宇宙射线，要打造一个辐射最少、干扰最小的实验环境，用厚厚的岩石屏蔽宇宙射线是一个好办法。中国锦屏地下实验室是目前世界上最深的地下实验室，垂直岩石覆盖达2400米。在美国南达科他州一处矿井下进行的世界上灵敏度最高的暗物质探测实验—大型地下氙（LUX）实验，为了进一步隔绝宇宙射线，探测器还被悬浮于一个大型超洁净水池之中。南极为天文学家提供了几乎可媲美太空的观测环境。
首先，南极的空气极为透明和宁静，所以在南极安装天文望远镜就能得到非同一般的观测效果。其次，南极气候极为寒冷，空气中的水汽冻结成了冰雪，减少水蒸气对红外辐射的吸收，有利于红外望远镜的观测。另外，南极极端的寒冷还大大减少了望远镜所发出的热，提高了红外观测的灵敏度。加之南极还是地球上观测天空视角最大的地点，能极大地提高观测效率。
这些得天独厚的条件吸引世界多国在南极建立天文观测站，开展从光学观测、射电观测、宇宙微波背景辐射观测到中微子观测等多个领域的研究。位于南极点的南极望远镜的一项重要任务是研究暗能量。中国的南极巡天望远镜则安装在冰穹A。
无论建在哪里，地基望远镜总会受到地球大气层的影响，如果把望远镜放置在地球大气层之上，让其在轨道上环绕地球运行，便能把环境影响减到最小，这便是空间望远镜的由来。1970年，人类历史上第一颗X射线天文卫星发射升空。1990年4月24日发射升空且至今仍在运行的哈勃望远镜则是迄今最成功的空间望远镜。哈勃的“后继者”詹姆斯·韦伯太空望远镜将于2018年10月升空，它将用“凌星”的方法研究几百颗系外行星。