Bologna ha un rapporto continuo e costante con l'astronomia. Andando a ritroso nel tempo, già nel XIII secolo erano presenti presso lo studio bolognese il più famoso astrologo del tempo, Guido Bonatti da Forlì e il primo Lettore certo d'Astronomia, Bartolomeo da Parma. Dal 1496 al 1500, studiò a Bologna Nicolò Copernico, colui che ribaltò la cosmologia aristotelica fino allora imperante. Sul pavimento della chiesa di San Petronio si può ammirare la lunga meridiana tracciata da Gian Domenico Cassini per verificare le variazioni del moto solare. A metà del Settecento, le Effemeridi Astronomiche bolognesi erano tra le più accurate e importanti d’Europa. Nel 1790 la torre degli Asinelli fu utilizzata da Giovan Battista Guglielmini per verificare la rotazione della Terra.
Ancora oggi Bologna è la città delle stelle. Sono oltre cento gli astronomi che lavorano presso le strutture astronomiche bolognesi: l'Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna, l'Istituto di Radioastronomia, (tutte queste strutture dipendono dall'Istituto Nazionale di Astrofisica) e il Dipartimento di Astronomia e Fisica dell'Università di Bologna. Di quest’ultimo fanno parte il Museo della Specola, con strumenti perfettamente conservarti e la Biblioteca "Guido Horn d'Arturo", il cui Archivio storico contiene importanti testimonianze. In provincia, sulle vicine colline si trova la stazione astronomica di Loiano, dotata di un moderno telescopio da 152 centimetri oltre che del vecchio strumento Zeiss - ancora oggi efficiente e splendido esempio di archeologia industriale. Nella pianura, nella "bassa", si trova il radiotelescopio di Medicina, ponte per ricevere segnali da mondi lontani.
L'Osservatorio Astronomico e il Dipartimento di Astronomia e Fisica continuano la tradizione astronomica bolognese legata allo studio dell'astronomia ottica, ma nel corso del tempo le loro ricerche si sono estese anche alle altre lunghezze d'onda. Per tanti anni, a conferma di questo legame, sono stati ospitati nei locali della vecchia torre astronomica. Attualmente si trovano in via Gobetti. I ricercatori dell'Osservatorio e del Dipartimento, oltre che essere inseriti in gruppi di lavoro internazionali, utilizzano per le loro ricerche le più moderne tecnologie osservative. Si occupano degli oggetti che appartengono alla nostra Galassia (stelle, ammassi globulari, materia interstellare) e di quelli al di fuori della stessa (galassie, quasar, struttura a grande scala dell'Universo, modelli cosmologici). L'Osservatorio di Bologna gestisce anche i telescopi della stazione osservativa di Loiano. Il Dipartimento ha istituto nel 1969 il Corso di Laurea in Astronomia, frequentato da oltre 200 studenti.
L'Istituto di Radioastronomia è nato nel 1970, da un preesistente laboratorio universitario, con lo scopo di sviluppare tematiche inerenti all'astrofisica delle radiosorgenti. Gestisce due osservatori radioastronomici, uno presso Medicina (BO) e l'altro presso Noto (SR), in cui operano tre radiotelescopi. Nella stazione di Medicina si trovano il grande strumento "Croce del Nord" e un'antenna parabolica. Lo strumento "Croce del Nord" è il più grande strumento di transito esistente al mondo e ha cominciato a operare nel 1964. L'antenna parabolica, inaugurata nel 1983, è completamente orientabile e può puntare e inseguire qualsiasi oggetto della volta celeste.
L'Istituto di Astrofisica Spaziale, che fino al 2002 si chiamava TESRE, e dal 2018 si e' unito all'Osservatorio Astronomico, si occupa prevalentemente di astronomia e astrofisica dello spazio. I progetti dell'istituto sono finalizzati all'osservazione e allo studio delle radiazioni extraterrestri (raggi gamma, X, banda ottica, infrarossi e microonde) e dei raggi cosmici. La sua attività comprende sia la progettazione e realizzazione degli strumenti (telescopi e rivelatori) che l'interpretazione dei dati raccolti.