Позаатмосферні обсерваторії, апарати, що оснащені приладами для астрономічних і геофизичних спостережень, виводяться за межі земної атмосфери або в її верхні шари за допомогою балонів (див. Балонна астрономія ) або у вигляді геофизичних ракет, штучних супутників Землі і космічних зондів . Найбільш тривалі і різносторонні спостереження можуть бути здійснені за допомогою супутникових (орбітальних) Ст о. і Ст о., встановлених на Луне. Астрономічні Ст о. служать для спостережень небесної сфери в цілому, окремих зірок і туманностей в ділянках спектру, недоступних для наземних спостережень. Особливого типа астрономічних Ст о. представляють сонячні Ст о., призначені для дослідження Сонця в короткохвильовій частині спектру і радіодіапазоні випромінювання. Такими Ст о. є розроблені в США орбітальні астрономічні обсерваторії для картірованія небесної сфери за допомогою телевізійного устаткування в чотирьох спектральних смугах з довжиною хвилі менше 1100 Å а також широкосмуговій спектрофотометрії окремих зірок і туманностей в діапазоні 800— 3000 Å. На радянському штучному супутнику Землі «Космос-215» велися астрономічні спостереження за допомогою 10 -см телескопів, забезпечених вузькосмуговими детекторами із смугою близько 100 Å, що працювали в діапазоні 1000—3000 Å, рентгенівського телескопа і фотометра, чутливого до видимого світла. Сонячними Ст о. були радянські супутники «Космос-160» і «Космос-230», що дослідили локалізацію, розміри і структуру областей рентгенівських спалахів на Сонце, і деякі ін. У США до космічних апаратів цього типа відносяться орбітальні сонячні обсерваторії, що вивчають сонячну активність, корону Сонця і ін., а також супутники «Солрад», реєструючі і передавальні в натуральному масштабі часу дані про викликані спалахами варіації короткохвильового випромінювання Сонця.
Геофизичні Ст о. проводять геофизичні виміри за широкою комплексною програмою — атмосферні, магнітні, іоносферні та інші поряд з виміром параметрів (наприклад, випромінювань Сонця), пов'язаних з вимірюваними геофизичними характеристиками. Такими супутниками були 3-й радянський штучний супутник Землі, радянські супутники серії «Електрон», американські орбітальні геофизичні обсерваторії і полярні геофизичні обсерваторії. Проектуються Ст о. з науковим персоналом на борту. Нові наукові перспективи відкриваються із створенням місячних обсерваторій. Перші довготривалі астрономічні спостереження на Луне виконані з радянської самохідної лабораторії «Місяцехід-1» (початок роботи 18 листопада 1970), обладнаною рентгенівським телескопом для вивчення інтенсивності і структури позагалактичного рентгенівського фону і окремих джерел і апаратурою для досліджень потоків корпускулярного випромінювання.
