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Après les photos aériennes utilisées pour l'observation de la Terre, les satellites d'observation, appelés aussi satellites de télédétection, produisent de nombreuses images sur de vastes espaces survolés. Ces satellites sont lancés dans l'espace puis grâce à la gravité terrestre, ils sont placés sur différents types d'orbites : géostationnaires ou polaires (ou orbites "basses") selon leur altitude.

Les orbites géostationnaires permettent à un satellite (placé à 36 000 km d'altitude) d'effectuer le tour de la Terre en 24h et donc d'observer une même zone en continu. Les applications de météorologie ou de télécommunication utilisent ce type de satellite.
Les orbites polaires (appelées également basses ou « héliosynchrones ») permettent à un satellite (placé entre 8 000 et 10 000 km d'altitude) de balayer toute la surface de la terre en quelques jours puis d'observer toujours à la même heure solaire, à une latitude donnée, et avec le même éclairement, sur une même zone. Les images fournies par ces satellites sont notamment utilisées pour étudier l'évolution de l'environnement.

Les capteurs à bord des satellites d'observation de la terre détectent certains rayonnements de la lumière réfléchis par le sol (visibles à l'oeil ou non) et sont capables d'enregistrer le flux électromagnétique en provenance d'une zone observée. Celle ci réfléchit des rayonnements différents selon sa composition et l'analyse de ces rayonnements détermine quel corps l'a envoyé.

Les radars à bord des satellites émettent des signaux électromagnétiques et réceptionnent ceux réfléchis par la surface terrestre afin de calculer l'altitude des sols ou des mers. Ces techniques radar permettent de détecter aussi l'humidité et la rugosité des surfaces.
Toutes ces données sont transmises par ondes via des antennes à des centres de traitement qui les retravaillent afin d'obtenir des images dotées d'une plus ou moins grande résolution (ou finesse des détails).

Parmi les domaines d'applications figurent les domaines océanographiques, météorologiques, agricoles, gestion des risques naturels et militaires.

Les  océanographes utilisent  les satellites de télédétections pour mesurer la circulation des océans, la hauteur des vagues, l'évolution des glaces de la mer. Les météorologistes emploient ces moyens pour établir leurs prévisions aussi bien pour le grand public que pour des secteurs plus spécialisés comme les transports, l'agriculture ou la pêche. L'agriculture a besoin de satellites pour faire un inventaire des surfaces agricoles. Les satellites offrent des informations capitales sur les glissements de terrains (annonce d'une éruption volcanique). Ils sont aussi très utiles dans le cadre d'opération de secours ou de sauvetage. Enfin, l'observation spatiale militaire assure la prévention, la dissuasion et le maintien de la paix.

 "Global Monitoring of Environment and Security" (GMES) a pour objectif de renforcer les capacités d'observation par  satellite de l'Europe : augmentation du nombre de satellites pour une mission, nouveaux instruments de mesures.

Les programmes lancés ont pour mission d'étudier des changements de notre environnement, vérifier si les conventions internationales (protocole de Kyoto) sont bien respectées et d'intervenir lors de catastrophes naturelles. Dans ce cadre, GMES propose de nouvelles familles de satellites appelées « Sentinel ».

Dans l'émission "Planète Terre" du 04/02/2009 proposée par France Culture, Sylvain Kahn reçoit Vincent Dubreuil, géographe, sur le thème de « La déforestation de l'Amazonie et la télédétection ».

L'émission « L'agriculture par satellite », avec Didier Rigal, responsable agriculture et environnement à Infoterra, traite des avantages issus de l'obesrvation de la terre par satellite, dans le domaine de l'agriculture.