Kosmologia obserwacyjna – dział astronomii, a dokładnie astrofizyki, zajmujący się badaniem Wszechświata, jego kształtu i ewolucji (do największej możliwej skali, po horyzont cząstek). Kosmologia obserwacyjna bazuje na kosmologii teoretycznej, tworzącej formalizmy matematyczne w postaci matematycznych modeli Wszechświata.
Podstawę kosmologii fizycznej (czyli kosmologii teoretycznej i kosmologii obserwacyjnej) stanowi obecnie ogólna teoria względności, dzięki której tworzone są modele Wszechświata.
Powszechnie przyjmowany jest model zakładający ewolucję Wszechświata od stanu o bardzo dużej gęstości i temperaturze (często uważa się, iż był to stan osobliwy, czyli taki, w którym wartości te były nieskończone, a obszar, w którym miało to miejsce, miał rozmiar albo zerowy, albo nieskończony, zależnie od modelu), który od chwili początkowej zaczyna się rozszerzać (Wielki Wybuch), jednocześnie stygnąc.
Obserwacyjne podstawy kosmologii prawo Hubble’a pierwotna nukleosynteza własności promieniowania tła (promieniowania reliktowego), modelowanego jako promieniowanie ciała doskonale czarnego struktura wielkoskalowa (rozkład galaktyk i ich gromad)