Thiên văn học hồng ngoại chịu trách nhiệm thám sát và phân tích bức xạ hồng ngoại (các bước sóng dài hơn ánh sáng đỏ). Ngoại trừ các bước sóng gần ánh sáng nhìn thấy được, bức xạ hồng ngoại bị khí quyển hấp thụ mạnh, và khí quyển cũng tạo ra nhiều phát xạ hồng ngoại. Vì thế, các đài quan sát hồng ngoại được đặt ở những địa điểm cao và khô hay trong không gian. Quang phổ hồng ngoại rất hữu dụng khi nghiên cứu các vật thể quá lạnh để có thể phát xạ ra ánh sáng nhìn thấy được, như các hành tinh và đĩa cạnh sao. Các bước sóng hồng ngoại dài hơn cũng có thể xuyên qua vào các đám mây bụi vốn ngăn ánh sáng, cho phép quan sát các ngôi sao trẻ trong các đám mây phân tử và lõi của các thiên hà. Một số phân tử phát xạ mạnh ở dải sóng hồng ngoại, và điều này có thể được sử dụng để nghiên cứu hoá học không gian, cũng như phát hiện ra nước trong các thiên thạch.