狹義地說是利用光學望遠鏡、光度測量儀器、分光儀器和偏振光測量儀器來觀測和研究天體的形態、結構、化學組成和物理狀態的一門學科，是實測天體物理學的重要組成部分。另一方面，光學天文學是相對於射電天文學。紅外天文學、紫外天文學、X射線天文學和X射線天文學而言的，因此光學天文學也是天體物理學的一個分支。人類認識宇宙，主要是依靠來自天體的電磁輻射。光學波段的範圍很窄，為3000～10000埃（可見光約為4000～7000埃）。早期的天文觀測是用人眼來進行的。望遠鏡發明明以後，利用大量的觀測結果，確定天體的位置、分佈和運動。
公元前129年，喜帕恰斯編制星表時，將肉眼能見的星分為六個亮度等級。這就是利用人眼作為輻射接受器，粗略地進行光度測量的結果。這種觀測方法屬於光學天文學的范疇。1609年伽利略使用望遠鏡觀測天體，發揮瞭望遠鏡的增大光通量密度和放大視角的作用，開創瞭現代光學天文學。他不僅繪制瞭月面圖，觀測到金星的盈虧，還看到瞭太陽黑子並判明銀河是恒星組成的。
隨著生產力的發展和科學技術的進步，光學望遠鏡精密度越來越高，口徑越來越大，從而不斷發現新天體和觀測到新天象。由於三種物理方法（分光學、光度學、照相術）應用於天文學領域，逐步奠定瞭太陽物理學、恒星物理學等天體物理學分支學科的基礎。自從基爾霍夫說明瞭吸收線的產生原因以後，分光學在天體觀測中起著極重要的作用。通過觀測和研究，人們不但能測定天體的溫度、密度、壓強等物理特性，而且能得到天體化學成分的數據。近代天文學的各分支，特別是理論天體物理學，在理論物理的影響下，發展得更加迅速。太陽色球的單色光觀測研究，太陽黑子磁場的發現，造父變星周光關系的發現，赫羅圖的建立，星際消光的證明，星系是由恒星和星際物質組成的證明，星系的譜線紅移以及銀河系自轉、恒星自轉、星協、星鏈以至天王星光環的發現，都是光學天文學的重大成就。近幾十年來射電天文學的興起，紅外天文學的復興，以及紫外天文學、X射線天文學、γ射線天文學的誕生，使現代天體物理學進入自然科學的前沿陣地。但是，光學天文學與上述各分支學科相互配合，仍然不斷作出貢獻，促進有關學科向前發展。