Земная атмосфера мешает астрономическим наблюдениям: турбулентность размывает изображение, а многие диапазоны электромагнитного излучения частично или полностью поглощаются. Поэтому часть телескопов выносят в космос — на околоземные орбиты, к точкам Лагранжа или на солнечные орбиты. Это позволяет вести наблюдения без атмосферных искажений и работать в диапазонах, недоступных большинству наземных обсерваторий.

Космическая обсерватория ESA «Гершель», названная в честь Уильяма Гершеля, была запущена в 2009 г. и работала в дальней инфракрасной и субмиллиметровой областях спектра возле точки Лагранжа L2. Её главное зеркало имело диаметр 3,5 м — на момент запуска это было крупнейшее зеркало инфракрасного космического телескопа. Научные наблюдения завершились 29 апреля 2013 г. после исчерпания запаса жидкого гелия, необходимого для охлаждения приборов.

Космический телескоп «Хаббл», названный в честь Эдвина Хаббла, был выведен на низкую околоземную орбиту в 1990 г. и продолжает научную работу десятилетия спустя. К февралю 2025 г. он выполнил почти 1,7 млн наблюдений примерно 55 тыс. астрономических целей. Это совместный проект NASA и ESA. Диаметр главного зеркала «Хаббла» — 2,4 м.

Инфракрасный космический телескоп «Спитцер», названный в честь американского астрофизика Лаймана Спитцера, был запущен NASA в 2003 г. Он имел зеркало диаметром 0,85 м и массу около 950 кг. «Спитцер» проработал более 16 лет; научная миссия завершилась 30 января 2020 г.

Рентгеновская обсерватория NASA «Чандра», запущенная в 1999 г., названа в честь астрофизика Субраманьяна Чандрасекара. Она стала третьей из четырёх Великих обсерваторий NASA после «Хаббла» и «Комптона». Её телескоп использует четыре пары вложенных зеркал скользящего падения, позволяющих получать исключительно детальные рентгеновские изображения космических источников.