Depuis le début du XXIe siècle, l'observation astronomique a nettement progressé rendant nécessaire la mise à jour du précedent best-seller de Pierre Lena "Méthodes physiques de l'observation", éditée en 1996 et épuisée à ce jour. Cet ouvrage présente une vue synthétique des outils et des méthodes de l'observation astronomique en ce début de millénaire. Bâtie sur une série de cours de niveau doctoral, cette troisième édition est entièrement renouvelée et largement augmentée. En effet, en à peine plus d'une décennie, l'astronomie d'observation, appuyée sur des technologies nouvelles d'imagerie et de détection, a extraordinairement progressé : optique adaptative, interférométrie optique, accès au submillimétrique, découverte d'exoplanètes ou quête des neutrinos, pour ne citer que quelques exemples. Pour explorer ces champs nouveaux apparaissent des téléscopes et des missions spatiales d'une grande originalité. L'ouvrage développe également quelques traits du monde numérique : le traitement du signal, les bases de données et les observatoires virtuels.