Рентгеновские детекторы обычно регистрируют отдельные кванты.
Также в научных приборах применяются твердотельные полупроводниковые детекторы на основе германия или теллура и кадмия. Рентгеновские фотоны, попадая в полупроводник, порождают электронно-дырочные пары, которые можно зарегистрировать. Такие детекторы установлены, например, на европейском спутнике INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory, Международная астрофизическая гамма-обсерватория, «Интеграл»), где для достижения хорошего углового разрешения используют кодирующую апертуру. Перед детектором устанавливается маска, состоящая из прозрачных и непрозрачных элементов, а анализ сложной теневой картины позволяет с высокой (для жесткого рентгеновского диапазона) точностью восстановить карту распределения источников в поле зрения.
Угловое разрешение в рентгеновском диапазоне даже с помощью простых приборов заметно выше, чем в гамма-диапазоне. В частности, это позволило в конце 1990-х гг. решить загадку космических гамма-всплесков. Одновременная регистрация события в гамма- и рентгеновских лучах позволила получить достаточно точные координаты, которые были использованы для оптических наблюдений. Благодаря этому была идентифицирована галактика, в которой произошел всплеск, и тем самым подтверждена космологическая природа этого явления.
Зеркальные фокусирующие системы позволяют улучшить чувствительность и угловое разрешение рентгеновских телескопов.
Наконец, существует возможность использования фокусирующей оптики. Ее разработки начиная с 1960-х гг. проводили Риккардо Джиаккони и Бруно Росси (Bruno Rossi). В крупном масштабе она была впервые применена на спутнике HEAO-2 (High Energy Astrophysics Observatory, Высокоэнергетическая астрофизическая обсерватория, или Обсерватория «Эйнштейн»), запущенном в 1978 г. (до этого несколько небольших прототипов для солнечных наблюдений летали на спутниках и на борту орбитальной станции Skylab). Рентгеновские лучи не только плохо преломляются, но и плохо отражаются, поэтому используются зеркала косого падения – набор вложенных друг в друга конусообразных зеркал с металлическим напылением. Лучи, падающие под малым углом к зеркалу (практически параллельно его поверхности), могут отражаться и тем самым фокусироваться. Это позволяет достичь и высокой чувствительности, и высокого углового разрешения.
Начиная с 1970-х гг. рентгеновская астрономия активно развивалась в США и Европе, а также в СССР (России) и Японии, сейчас к исследованиям активно подключаются Индия и Китай. На текущий момент наиболее совершенными рентгеновскими обсерваториями являются американский спутник Chandra и европейский XMM-Newton (оба аппарата запущены в 1999 г.), где в качестве детекторов используются ПЗС-матрицы, работающие в рентгеновском диапазоне. Chandra является рекордсменом по угловому разрешению, а XMM-Newton – по собирающей поверхности.