天文台的主要工作是用天文望远镜观测星星。天文台设在山上，是因为山上离星星近一点吗？不是的。星星离开我们都非常遥远。一般恒星离我们都在几十万亿千米以外，离我们最近的天体--月亮，距离地球也有38万千米。地球上的高山一般只有几千米，缩短这么一小短距离，显然是微不足道的。地球被一层大气包围着，星光要通过大气才能到达天文望远镜。淀粉气中的烟雾、尘埃以及水蒸气的波动等，对天文观测都是有影响。尤其在大城市附近，夜晚城市灯光照亮了空气中的这些微粒，使天空带有亮光，妨碍天文学家观测较暗的星星。在远离城市的地方，尘埃和烟雾较少，情况要好些，但是还不能避免这些影响。越高的地方，空气越稀薄，烟雾、尘埃和水蒸气越少，影响就越少，所以天文台大多设在山上。现在，世界上公认的三个最佳天文台台址都是设在高山之巅，这就是夏威夷莫纳凯亚山山顶，海拔4206米；智利安第斯山，海拔2500米山地；以及大西洋加那利群岛，2426米高的山顶。将天文台观测室设计成半圆形，是为了便于观测。在天文台里，人们是通过天文望远镜来观察太空，天文望远镜往往做得非常庞大，不能随便移动。而天文望远镜观测的目标，又分布在天空的各个方向。如果采用普通的屋顶，就很难使望远镜随意指向任何方向上的目标。天文台的屋顶造成圆球形，并且在圆顶和墙壁的接合部装置了由计算机控制的机械旋转系统，使观测研究十分方便。这样，用天文望远镜进行观测时，只要转动圆形屋顶，把天窗转到要观测的方向，望远镜也随之转到同一方向，再上下调整天文望远镜的镜头，就可以使望远镜指向天空中的任何目标了。在不用时，只要把圆顶上的天窗关起来，就可以保护天文望远镜不受风雨的侵袭。
三十米望远镜（Thirty Meter Telescope，TMT），由包括中国在内的多个国家参与建造。镜如其名，一旦建成，将是一台口径达到30米的地面光学望远镜，是现有最大光学望远镜集光力的9倍。为了发挥最大威力，三十米望远镜选址在海拔约4050米的夏威夷莫纳克亚山顶，并为此量身定制了自适应光学系统，使得对遥远天体的分辨率甚至比哈勃空间望远镜还超出10倍。2014年10月，在获得夏威夷州土地与自然资源部的许可之后，三十米望远镜在莫纳克亚破土动工。按照原定计划，预计到2022年，三十米望远镜将建成启用，成为世界上，至少是北半球，最大的光学望远镜。然而，事情的进展并非一帆风顺。在夏威夷原住民的抗议声浪中，2015年12月2日，夏威夷最高法院撤回了在莫纳克亚山顶建造三十米望远镜的建设许可。这座已经动工的超大光学望远镜，陷入了进退两难的境地。
望远镜是一种利用透镜或反射镜以及其他光学器件观测遥远物体的光学仪器。利用通过透镜的光线折射或光线被凹镜反射使之进入小孔并会聚成像，再经过一个放大目镜而被看到。又称“千里镜”。望远镜的第一个作用是放大远处物体的张角，使人眼能看清角距更小的细节。望远镜第二个作用是把物镜收集到的比瞳孔直径（最大8毫米）粗得多的光束，送入人眼，使观测者能看到原来看不到的暗弱物体。1608年，荷兰的一位眼镜商汉斯·利伯希偶然发现用两块镜片可以看清远处的景物，受此启发，他制造了人类历史上的第一架望远镜。1609年意大利佛罗伦萨人伽利略·伽利雷发明了40倍双镜望远镜，这是第一部投入科学应用的实用望远镜。利用光学望远镜观测夜空需要有 一个清晰的视野，然而城市上空因为空气污染、废气的排放和耀眼的灯光 而变得灰蒙蒙的，因而，望远镜要置 于山顶上的天文台——那里空气较为稀薄和纯净。从太空中观测恒星效果最佳。
