Veľmi kvalitné spektrum Slnka získal roku 1898 fotograficky Henry Augustus Rowland (1848-1901 ); zmeral v ňom až 23 000 spektrálnych čiar a spektrálnou analýzou v nich identifikoval čiary veľkého počtu známych chemických prvkov.

Zakladateľom hviezdnej spektroskopie sa stal W. Huggins, ktorý spektrálnym výskumom dokázal plynový charakter niektorých hmlovín (1864) a prítomnosť uhlíkových zlúčenín v kométach (1868). V tomto období dokázal taliansky astronóm Giovanni Virginio Schiaparelli (1835-1910) spojitosť medzi kométami a meteorickými rojmi, ktorú krátko predtým teoreticky predpovedal Daniel Kirkwood (1814-1895). Medzi prvých moderných astrofyzikov zaoberajúcich sa spektrálnym výskumom hviezd patrí Angelo Secchi (1818-1878), ktorý zaviedol roku 1868 prvú spektrálnu klasifikáciu hviezd. Aj v spektrách hviezd sa dokázala prítomnosť vodíka a ďalších známych prvkov. Prvú fotografiu spektra hviezdy (Vegy) získal roku 1872 Henry Draper (1837-1882). Edward Charles Pickering (1864-1919) objavil roku 1889 prvú spektroskopickú dvojhviezdu Mizar; roku 1890 vydal so svojimi spolupracovníkmi z Harvardského observatória katalóg spektier 10 351 hviezd (Draper Memorial Catalogue). Hviezdnym spektrám sa na Harvardskom observatóriu venovala najmä astronómka Williamine Flemingová (1857-1911), Antonia Caetana Mauryová (1866-1952) a Annie Jump Cannonová (1863-1941). Výsledkom ich práce je upravená, presnejšia klasifikácia hviezdnych spektier (Harvardská klasifikácia), ktorá sa používa doteraz, a najmä rozsiahly katalóg obsahujúci spektrá 225 300 hviezd celej oblohy (Henry Draper Catalogue, ktorého posledný, 6. zväzok vyšiel roku 1924).

Zmeranie presnej polohy spektrálnych čiar umožňuje určiť radiálnu rýchlosť pozorovaného objektu na základe vzťahu, ktorý odvodil Christian Johann Doppler (1803-1853) roku 1842 (Dopplerov jav). Vizuálnym spektroskopickým pozorovaním určil radiálnu rýchlosť hviezd už roku 1868 W. Huggins, jeho vizuálne pozorovania však boli zaťažené značnou chybou až ±23 km/s. Roku 1888 zmerali radiálne rýchlosti hviezd fotografickou metódou Hermann Carl Vogel (1841-1907) a Julius Scheiner (1858-1913). Už predtým Vogel určil touto metódou rotáciu Slnka. O rozvoj techniky merania radiálnych rýchlostí sa pričinil najmä Aristarch Apollonovič Belopoiskij (1854-1934) v Pulkove a William Wallace Campbell (1862-1938) na Lickovom observatóriu.