根據不同的科研目的，天文臺分為光學天文臺、射電天文臺和空間天文臺三種。光學天文臺的主要設備是用於光學天文試驗的各種儀器，如太陽眼鏡、光學天文望遠鏡等，主要用於方位天文學或天體物理學的研究；射電天文臺主要由各種巨型甚至超巨型的無線接收設備和基站組成，如射電望遠鏡，主要用於射電天文等研究；空間天文臺主要由先進的光學觀測系統組成，主要用於在空中與衛星配合，形成先進的空間觀測平臺。
早在公元前2600年，古埃及人為了更好地觀測天狼星，建立了迄今為止世界上最早的天文臺。同樣，到公元前2000年，巴比倫人出於同樣的原因建立了壹座天文臺。中國在大約2500年前也開始建造天文臺，但當時叫臺清、喪臺、觀象臺。在許多古代國家，天文臺不僅是觀測天文的場所，也是占蔔和祭祀的場所，所以天文臺壹般是統治者最重視的場所之壹。
隨著時代的不斷變化，天文臺的建築也在不斷變化和改進。歷史上著名的天文臺是丹麥天文學家第谷於1576年在哥本哈根建立的天文臺，配備了當時最先進的天文儀器。中國最早的天文觀測臺建於元代，現位於登封縣城東南13公裏的高塍鎮觀星臺。元代著名天文學家郭守敬曾在此觀測天體，推算出壹個天文結果:回歸年為365天5小時49分20秒，與現代測定回歸年僅差26秒。他編制的編年史比現在的公歷早誕生300年，可見中國古代天文歷法的科研水平已經相當高超。
天文臺的主要目的是讓天文學家更容易用天文望遠鏡觀察天空。為了更好地讓人們觀察天空中星星的形狀和運行，天文臺壹般都建在遠離城市的山上，而不是因為山離星星更近。星星離地球很遠。壹般恒星距離地球有幾十萬億公裏，最近的天體月球距離地球有38萬公裏。地球上的山脈壹般只有幾公裏長，縮短這麽短的距離顯然無足輕重。這是因為山的地理位置比較高，空氣比較稀薄，煙塵和水汽比較少，對人們觀測天體的影響較小，更有利於天文學家科學研究的順利進行。中國著名的天文臺，如紫金山天文臺，位於南京的東北部，海拔267米。
壹般來說，天文臺的屋頂被設計成銀白色的半球。從遠處看，銀白色的圓形屋頂在陽光下閃閃發光。之所以設計成這種形式，並不是為了美觀。事實上，銀白色的圓頂屋是天文臺的觀察室。屋頂半球會切割出壹個巨大的天窗，主要是為了方便人們通過天文望遠鏡觀察太空。壹般天文望遠鏡都很大，不能隨便移動。但是用天文望遠鏡觀測需要360度的觀測空間，用普通屋頂的天文望遠鏡很難滿足使用條件。但天文臺采用半球形屋頂設計，擁有極其開闊的360度天窗，充分滿足了天文望遠鏡360度旋轉的需求，讓人們可以直接使用專業天文望遠鏡探索和觀測天空。不使用時，只要關閉穹頂上的天窗，天文望遠鏡就可以免受風雨，完全可以不受空間限制的影響。