自然科学の分野では、観察とは、何らかの目的のために対象を詳細に見、そこから何かを導き出す行動で、分析や解析などの基礎となる。基本的には、対象に対する操作を行わない点で実験とは異なる。分解や解剖、生物学ではさらに固定や染色といった込み入った操作を行う場合もあるが、これはそのままでは見えない内部や細部を見るためであり、その操作によるその目的部分の変化を求めない点で実験ではない。観察した事象を整理して記録することを記載という。
観察には、定量的観察と定性的観察がある。人間の感覚は定性的なので、定量化は重要な過程である。定量的な観察は特に「観測」あるいは「測定」などと呼ばれる。しかし、定性的な観測も時に重要な情報をもたらす。
生物学.
生物学では、まずはその形態、それにその動きをよく見ることが重視される。しかし、生物には肉眼では観察できない細部に重要な意味があることが明らかになり、野外観察においても、ルーペは重要アイテムである。さらに微生物の分野では、顕微鏡を用いた観察がしばしば行われる。いずれにせよ、観察から何かを感じることは生物学では発想の原点として重要である。
観察したことを記録する方法として、スケッチも重視される。
理科教育.
日本の社会教育の場では、博物館や自然関係の団体が主催する自然観察会や自然観察教室があちこちで行われている。
観察の諸問題.
観察という行為自体に何ら疑問を抱かない者も多いが、実はそこには大きな問題が横たわっている。観察という行為には人間の「認識」というプロセスが含まれているのである。観察者が誰であろうが（科学者であろうが）、認識は、心理あるいは脳神経的なプロセスであり、そこには以下のような問題が潜んでいる。
この問題は、トーマス・クーンによっても指摘された。科学の理論の進歩は、認識が孕む問題と大きく関係しているのである。「客観主義」というものは、決して、想像されるほど、シンプルで磐石なものではない。