रेडियो दूरबीन खगोलीय पिंडों द्वारा उत्सर्जित रेडियो तरंगों का पता लगाती है। यह देखने में एक बड़ी थाली जैसी लगती है, लेकिन यह ऑप्टिकल दूरबीन से अलग तरह से काम करती है। कांच के लेंस या दर्पणों के बजाय, यह रेडियो तरंगों को इकट्ठा करने और उन्हें रिसीवर पर केंद्रित करने के लिए एक धातु की सतह का उपयोग करती है। रिसीवर सिग्नल को प्रवर्धित करता है और उसे प्रसंस्करण के लिए कंप्यूटर को भेजता है।

रेडियो दूरबीनें दिन या रात में अवलोकन कर सकती हैं और बादलों से अप्रभावित रहती हैं। ये दृश्य प्रकाश में अदृश्य वस्तुओं का पता लगा सकती हैं, जिनमें ठंडे गैस के बादल, पल्सर और ब्रह्मांडीय माइक्रोवेव पृष्ठभूमि शामिल हैं। ये धूल के कणों को भी भेद सकती हैं जो ऑप्टिकल दूरबीनों के लिए बाधा उत्पन्न करते हैं, जिससे आकाशगंगाओं के केंद्र और तारों के जन्मस्थानों का पता चलता है।

दुनिया का सबसे बड़ा सिंगल-डिश रेडियो टेलीस्कोप चीन में स्थित फाइव-हंड्रेड-मीटर एपर्चर स्फेरिकल टेलीस्कोप (FAST) है। सबसे शक्तिशाली एरे न्यू मैक्सिको में स्थित वेरी लार्ज एरे है, जो 27 डिशों को मिलाकर एक बहुत बड़े उपकरण के समान रिज़ॉल्यूशन प्राप्त करता है। इवेंट होराइजन टेलीस्कोप ने ब्लैक होल की छवि लेने के लिए दुनिया भर के रेडियो डिशों को आपस में जोड़ा था।

रेडियो खगोल विज्ञान की शुरुआत संयोगवश हुई। 1932 में, कार्ल जान्स्की अटलांटिक पार रेडियो संचार में उत्पन्न होने वाले स्टैटिक का अध्ययन कर रहे थे और उन्होंने मिल्की वे से आने वाले एक सिग्नल का पता लगाया। उन्होंने आकाशगंगा से रेडियो उत्सर्जन की खोज की, और इस प्रकार खगोल विज्ञान की एक नई शाखा का जन्म हुआ।