يرصد التلسكوب الراديوي الموجات الراديوية المنبعثة من الأجرام السماوية. يبدو كطبق كبير، لكنه يعمل بطريقة مختلفة عن التلسكوب البصري. فبدلاً من العدسات الزجاجية أو المرايا، يستخدم سطحًا معدنيًا لجمع الموجات الراديوية وتركيزها على جهاز استقبال. يقوم جهاز الاستقبال بتضخيم الإشارة وإرسالها إلى جهاز كمبيوتر للمعالجة.

تستطيع التلسكوبات الراديوية الرصد ليلاً ونهاراً، ولا تتأثر بالغيوم. كما يمكنها رصد أجسام غير مرئية في الضوء المرئي، بما في ذلك سحب الغاز الباردة، والنجوم النابضة، وإشعاع الخلفية الكونية الميكروي. ويمكنها أيضاً اختراق الغبار الذي يحجب التلسكوبات البصرية، كاشفةً عن مراكز المجرات ومواقع نشأة النجوم.

يُعدّ تلسكوب FAST (التلسكوب الكروي ذو الفتحة الخمسمئة متر) في الصين، أكبر تلسكوب راديوي ذي طبق واحد. أما أقوى مصفوفة فهي مصفوفة التلسكوبات الكبيرة جدًا (VLA) في نيو مكسيكو، والتي تجمع 27 طبقًا لتحقيق دقة جهاز أكبر بكثير. وقد ربط تلسكوب أفق الحدث أطباقًا راديوية حول العالم لتصوير ثقب أسود.

بدأ علم الفلك الراديوي بالصدفة. ففي عام 1932، كان كارل يانسكي يدرس التشويش في الاتصالات اللاسلكية عبر المحيط الأطلسي، واكتشف إشارة قادمة من مجرة ​​درب التبانة. لقد اكتشف انبعاثًا راديويًا من المجرة، ومن هنا وُلد فرع جديد من علم الفلك.