Thế kỷ 19 đánh dấu sự hình thành và phát triển của môn vật lý thiên văn, một nhánh quan trọng của thiên văn học. Lúc này, con người hướng vào cấu tạo và sự tiến hoá của các thiên thể, bản chất vật lý của các quá trình diễn ra trong vũ trụ. Năm 1802, William Hyde Wollaston phát hiện ra những vạch sẫm rất mảnh cắt ngang phổ của ánh sáng mặt trời. Sau đó 12 năm, Joseph von Fraunhofer đã giải thích được nguyên nhân của những vạch tối đó là do các chất khí của Mặt Trời đã hấp thụ ánh sáng. Ứng dụng hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng, ông đã đo được bước sóng của những vạch quan sát được và tên ông được đặt cho những vạch hấp thụ này. Giữa thế kỷ 19, các nhà khoa học đã nghiên cứu kỹ về phổ của các chất khí nóng sáng. Gustav Kirchhoff và Robert Bunsen đã so sánh bước sóng của những vạch Frauhofer và phát hiện ra natri, sắt, magiê, calcium, crom và những kim loại khác trên Mặt Trời. Trong những thí nghiệm này, họ cũng phát hiện ra hai nguyên tố mới là caesium và rubidium.[59] Năm 1862, Anders Angstrom phát hiện hydro trên Mặt Trời và năm 1869 lập bản đồ phổ Mặt Trời với hàng ngàn vạch.[60] Năm 1868, Pierre Janssen khi quan sát nhật thực toàn phần đã để ý thấy một vạch màu vàng sáng trong phổ Mặt Trời gần những vạch kép của natri và sau đó ít lâu, Norman Lockyer đã khẳng định đó là một nguyên tố mới - helium mà mãi đến năm 1895 mới tìm ra trên Trái Đất. Những kết quả nghiên cứu phổ Mặt Trời đã kích thích sự chuyển hướng sang các ngôi sao và hành tinh khác. Angelo Secchi đã nghiên cứu phổ của khoảng 4000 ngôi sao và được coi là cha đẻ của hệ thống phân loại phổ sao.[61] Một người Ý khác, Giovanni Donati là người đầu tiên thu được phổ sao chổi và nhận dạng, phân loại các vạch quan sát được trong phổ đó. William Huggins xác lập sự tương đồng giữa phổ Mặt Trời với nhiều ngôi sao và lần đầu tiên thu được phổ của các tinh vân khí gồm những vạch phát xạ riêng biệt. Năm 1890, Đài thiên văn Havard đã xuất bản danh mục phổ sao gồm 10.350 sao đến cấp 8, bản danh mục này sau đó thường xuyên được bổ sung.

Chụp ảnh được Joseph Nicéphore Niépce phát minh năm 1826, và sau đó ông cùng với Louis Daguerre hoàn thiện phương pháp này. Năm 1839, Daguerre tìm ra cách thu nhận ảnh trên tấm kim loại phủ Iodua Bạc rồi cho hiện hình bằng hơi thuỷ ngân. Phương pháp này được mang tên ông và sau đó, François Arago, giám đốc Đài thiên văn Paris đã ngay lập tức đánh giá cao những ứng dụng trong tương lai của nó. Năm 1851, Frederick Scott Archer đã đưa ra phương pháp keo ướt, nhờ đó ảnh rõ nét hơn và có thể nhân bản. Chụp ảnh tạo ra một công cụ hữu hiệu cho quan sát thiên văn mà người đi tiên phong trong chụp ảnh thiên văn là John William Draper với bức ảnh chụp Mặt Trăng năm 1840. Warren De la Rue đã chụp được rất nhiều ảnh Mặt Trời, rồi cũng chính Draper chụp được phổ của sao Alpha năm 1872, chụp tinh vân năm 1880[62]...