由于雷达发射功率的限制，雷达天文主要研究太阳系内的现象，例如，流星的空间分布和物理状态，月球和行星（包括小行星）的自转、表面特征和大气结构，日冕、行星际物质和彗星的等离子体运动和结构。此外，还用于精确测定太阳系内天体的距离和位置等。近年来，出现了光波段的激光雷达，对于月球和人造天体的精确定位和测距具有重要的意义（见月球激光测距、人造卫星激光测距）。

天文雷达的工作原理与一般雷达基本相同，但是探测目标的距离，前者比后者要远几千倍乃至几百万倍以上。因此，接收回波与发射信号之间有较大的时间延迟，从月球的几秒钟到外行星的几个小时。其次，雷达回波信号强度是和距离的四次方成反比的。用来观测天体的雷达，一般要求有大口径的天线和强功率的发射机。例如，美国阿雷西博天文台的射电望远镜在作为天文雷达使用时就装有口径 305米的球面天线和平均峰值功率为150千瓦的发射机（工作波长70厘米）。此外,探测月球、行星和太阳时，在视线方向上，天体的尺寸也比一般地面雷达目标大得多。以月球为例，为了得到整个可见半球的回波能量，发射脉冲宽度的选择必须照顾到电波扫描月面直径所需的时间（11.6毫秒），否则，月球反射的有效面积便要减小。如果考虑到上述天体的自转运动（或天平动），雷达信号从该天体（如行星）的不同部分反射后，由于多普勒效应就会具有不同的无线电频率，从而产生回波的多普勒致宽。天文雷达直接和准确地测定回波延迟，能精确地确定所测天体的距离。它在测定太阳系的尺度上起着重要的作用，大大地提高了天文单位（即日地平均距离）的精确度；根据天文雷达对金星和火星的观测和相应的光学观测资料,得到了1天文单位距离等于149,597,870.5公里，其均方误差为±1.6公里。精确度这样高的天文单位数值，对于计算行星际火箭的精确轨道和有关的天文常数是极其重要的。利用雷达测距的高精确度，就可以发现行星或小行星在轨道上运动的微小变化。这就可以确定其他天体的摄动作用，进而检验广义相对论所预期的微小影响（见广义相对论的天文学验证）。利用雷达测距的高精确度，也可以确定月球和行星同几何球体的差异程度。