観測結果から天体の軌道決定を行う場合、通常、それが二体の場合は問題がなかった。ところが、位置天文的連星やブラックホールなど伴星が見えない場合は、直接光学的な観測ができず概略的な数値しか求まらないと考えられてきた。しかし、2004年に弘前大学理工学部の浅田秀樹らにより、このような不可視伴星を持った連星系の二体の場合にも、軌道を厳密に決定する方法が発表された。
ケフェイドを使って天体までの距離を測る手法が確立されたことによって、20世紀に入るとハッブルが星雲の一部が銀河系の外にあることを発見した。ハッブルはさらに、より遠くの銀河までの距離をその星雲内のケフェイドを用いて測定し、これとその星雲との赤方偏移の大きさとを比較することでハッブルの法則を見出し、宇宙膨張の観測結果からの裏付けを行った。1989年から1993年にかけて、欧州宇宙機関 (ESA) の ヒッパルコス衛星が初めて宇宙から恒星の精密な位置測定を行った。これによって約12万個の恒星について20-30ミリ秒の精度でその位置が得られた。現在では、地球近傍天体の追跡や太陽系外惑星の検出に位置天文学の手法が用いられている。一例として、NASA の宇宙干渉計計画（Space Interferometry Mission、略称：SIM）では、恒星の周囲を回る巨大ガス惑星や近傍の地球型惑星を検出する計画が進められている。また、望遠鏡やコンピュータの発達及び安価な CCD（電荷結合素子）カメラの出現によって、アマチュアによる大規模な小惑星観測なども行われている。さらに天体物理学の分野でも、パルサーの移動速度を測定することによって超新星爆発の非対称性を調べたり、銀河内のダークマターの分布を決定するために位置天文学的手法が使われている。
位置天文学の発展の歴史を概観すると以下のようになっている。古代、時刻は日時計で測られていた。位置天文学は自然科学の最古の分野の一つである。位置天文学の歴史は古代ギリシアのヒッパルコスまで遡ることができる。彼は夜空に見える恒星を観測し、最初の星表を編纂した。またその過程で星の明るさを表す等級の仕組みを定めた。この等級は基本的な考え方を変えることなく現代でも使われている。天球上の天体間の角度を計測するためにアストロラーベが発明され、位置天文学の問題を解くために球面幾何学が発展した（球面天文学）。さらに、六分儀の発明によって、天球上の角度の計測精度が飛躍的に向上した。近代の位置天文学はベッセルによって創始された。ベッセルは Fundamenta astronomiae （『天文学原論』） という書物を出版し、この中でブラッドリーが1750年から1762年までの間に観測した3,222個の恒星に対して平均位置を与えた（地球の年周運動によって、恒星の視位置が微妙に変動するため）。
日中戦争では航続性能を生かし、設計本来の目的ではない対地爆撃に多用された。まず台湾や九州の基地を発進し、東シナ海を越え、第二次上海事変で孤立する現地部隊を支援する爆撃を行い帰還した。これは渡洋爆撃として国内に大きく宣伝され名を揚げた一方で戦闘機に撃墜されるなど被害も多かった。その後、基地が中国本土に進むと、中国奥地の漢口や重慶等の都市を爆撃した。当時は欧米諸国が本格的な単葉戦闘機を中国はじめ各国に売り込んでいたことから、1937年8月20日に南京を空襲した際には迎撃したP-26ピーシューターに敵損害なしで6機が撃墜されるなど、渡洋爆撃初期から損害が続出していたが、随伴できる戦闘機は存在しなかった。このため長距離飛行が可能な戦闘機の必要性が真剣に検討され、十三試双発陸上戦闘機、後の月光の誕生につながった。なお零戦も陸攻の護衛に活用されたが、それは結果に過ぎず、長距離護衛のために開発されたというのは俗説であり、誤りである。太平洋戦争では、1941年（昭和16年）12月8日の開戦当日から連日　台湾を発進してフィリピンのアメリカ軍飛行場を爆撃し、短期間にアメリカの航空戦力を壊滅させた。さらに12月10日のマレー沖海戦では、一式陸上攻撃機と協同でイギリス戦艦プリンス・オブ・ウェールズと巡洋戦艦レパルスを撃沈し、戦艦に対する航空優位を印象付けた。しかし、1942年（昭和17年）2月のジャワ沖海戦では魚雷が間に合わず、大きな戦果を上げられなかった。また5月の珊瑚海海戦では敵艦に命中弾を与えることが出来ず、効果的な対艦攻撃が出来なかった。1943年（昭和18年）1月のレンネル島沖海戦では夜間雷撃を成功させ、シカゴに2本、ウィチタとルイビルに各1本（共に不発）の魚雷を命中させている。なお、「空の神兵」として国民に広く知られる事となる日本海軍空挺部隊を運搬したのも、九六式陸攻の輸送機版である九六式陸上輸送機である。1942年（昭和17年）1月11日にセレベス島のメナドに二波408人を降下させたのは延べ45機、2月20日に西ティモールのクパンへ二次に渡り700人を降下させたのは28機の九六陸輸であった。その後は徐々に第一線を後継機に譲り、輸送などの後方任務につくことが多かったが、末期には老朽を押して東海実用化までのつなぎとして電探とKMX磁気探知機を搭載した対潜哨戒機として用いられたり、練習航空隊で使われていた機が夜間雷撃を行うなど再び一線に立った機体もまた少なくなかった。