Гамма-излучение можно регистрировать напрямую с помощью приборов на борту космических аппаратов.
В различных экспериментах использовались и другие типы детекторов. Они определяются не только рабочей энергией, но и массой аппарата, стоимостью, энергопотреблением и другими факторами. В будущем на спутниках планируют устанавливать время-проекционные камеры (проекты AdEPT, HARPO). Такие приборы используют в ускорительных экспериментах, таких как ALICE на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН.
Наземные установки регистрируют атмосферное черенковское излучение или вторичные частицы, порожденные гамма-квантами.
Фотоны с энергией порядка тераэлектронвольт регистрируются с помощью наземных установок. Попадая в земную атмосферу, фотон высокой энергии порождает поток вторичных частиц, в частности электронов и позитронов. Они, в свою очередь, двигаясь со скоростью, превышающей скорость света в воздухе, испускают черенковское излучение в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах. Именно оно и регистрируется телескопами.
Для регистрации оптических вспышек используют специализированные телескопы-рефлекторы и их системы с зеркалами (обычно сегментированными) размерами около 10 м. Поскольку для таких наблюдений не нужно высокое угловое разрешение и хорошее качество изображения, эти телескопы устроены гораздо проще аналогичных установок для оптической астрономии (соответственно, при том же диаметре зеркала они намного дешевле). Примерами подобных наземных крупных установок для гамма-астрономии являются MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes, Большой атмосферный черенковский гамма-телескоп, Канарские острова), H. E. S. S. (High Energy Stereoscopic System, Стереоскопическая система для регистрации [частиц] высоких энергий, Намибия) и VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System, Массив телескопов для регистрации радиации очень высоких энергий, Аризона, США).
Наземные гамма-телескопы позволяют достигать хорошего (по меркам астрономии высоких энергий) углового разрешения в доли градуса. Однако для регистрации астрономических источников необходимо длительное время наблюдений. При малом поле зрения (около 5 градусов) и возможности проводить полноценные наблюдения лишь в очень темные безлунные ночи (около 10 % времени) для обзорных наблюдений требуется очень много времени. Тем не менее за несколько лет обзор галактической плоскости с помощью телескопа H. E. S. S. позволил обнаружить десятки источников: в первую очередь пульсарные туманности, остатки сверхновых и двойные системы (несколько десятков источников еще остаются неидентифицированными).