관측
목성은 통상적으로 하늘에서 태양과 달, 금성 다음으로 가장 밝은 천체입니다. 그러나 화성이 목성보다 밝아 보이는 시기가 있기도 합니다. 지구에 대한 목성의 위치에 따라 목성의 겉보기등급은 충일 때 -2.9등급에서 합일 때 -1.6 등급으로 감소하며, 목성의 각지름 역시 50.1"에서 29.8"로 변합니다. 가장 밝은 시기는 목성이 근일점을 지나면서 충에 위치할 때입니다.
지구는 태양을 공전하면서 목성을 398.9일마다 한 번씩 추월하는데, 이 주기를 회합주기라고 합니다. 이런 과정에서 지구에서 목성은 배경별에 대해 올가미 형태의 역행 운동을 하는 것처럼 보입니다.
목성의 궤도가 지구의 궤도의 바깥에 있기 때문에 목성의 위상각은 지구에서 봤을 때 절대 11.5˚를 넘을 수 없습니다. 즉, 목성은 지구에서 망원경으로 관찰할 때 항상 거의 보름달처럼 보입니다. 때문에 우주선 탐사를 통해서만 목성의 초승달에 가까운 위상을 볼 수 있습니다. 보통 작은 망원경을 통해서 목성의 네 갈릴레이 위성과 목성의 대기상의 커다란 구름띠를 볼 수 있습니다. 좀 더 큰 망원경을 통해서는 목성의 대적점을 볼 수 있기도 합니다.
연구 및 탐사
망원경 발명 이전의 연구
목성에 관해 기록된 첫 관측 자료들은 기원전 7세기에서 8세기 경 바빌로니아의 천문학자들이 작성하였습니다. 고대 중국에서는 목성을 세성으로 표기하였습니다. 그리고 4세기 경 황도 부근의 하늘을 열두 개의 영역으로 나누었는데, 여기서 목성은 매년 한 영역을 통과합니다. 중국의 역사가 시저쭝은 고대 중국의 천문학자인 감덕이 기원전 362년 경에 목성의 위성 중 하나를 나안으로 발견하였다고 주장하였습니다. 그의 주장이 확실하다면, 갈릴레오 위성은 갈릴레오가 발견했던 것보다 약 2,000년이나 더 앞서 발견되었음을 의미합니다. 2세기 경 헬레니즘 시대의 천문학자 클라우디오스 프톨레마이오스는 알마게스트를 저술하는 동안 지구에 대한 목성의 운동을 설명하고 약 4332.38 일 또는 11.86 년에 해당하는 공전주기를 계산하기 위해 대원과 주전원에 기반한 천동설 모형을 도입하였습니다. 499년, 인도의 수학자 겸 천문학자인 아리아바타 역시 목성의 공전주기를 계산하기 위해 천동설 모형을 이용하였습니다.
지상 망원경을 이용한 연구
1610년, 갈릴레오 갈릴레이는 망원경을 이용하여 목성의 가장 큰 네 위성(갈릴레이 위성)을 발견하였습니다. 이는 지구 외 다른 행성의 위성에 관해 망원경을 이용한 첫 관측으로 여겨지고 있습니다. 갈릴레오의 발견 이후 시몬 마리우스가 별개로 목성 주변의 위성을 발견하였으나, 그의 발견은 1614년 저서에 기록되기 전까지 발표된 적이 없었습니다. 그러나 마리우스가 붙인 네 위성의 명칭, 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토는 오늘날까지 사용되고 있습니다. 또 이들의 발견은 겉보기에 지구를 중심으로 하지 않는 천구운동에 관한 첫 발견이기도 합니다. 이러한 발견은 행성의 운동에 관한 코페르니쿠스의 태양중심설이 지지받기 시작하는 중요한 시점이었습니다. 이러한 노골적인 코페르니쿠스의 이론의 지지로 갈릴레오는 종교재판의 위협에 처했었습니다.
1660년대에는 카시니가 새로운 망원경을 이용하여 목성의 점들과 다채로운 띠를 발견하였으며 목성이 편구 모양, 즉 극 부분이 평평한 것처럼 보인다는 것을 관측하였습니다. 또 그는 목성의 자전주기를 측정할 수 있기도 하였습니다. 카시니는 1690년에 목성의 대기가 차등회전을 겪고 있다는 것을 기록하였습니다.
목성의 남반구에 있는 뚜렷한 타원형의 대적점은 아직 논란이 있긴 하지만 1664년 로버트 훅과 1665년 지오반니 카시니의 관측 이후부터 관측되어 왔습니다. 약사였던 하인리히 슈바베는 1831년에 대적점의 상세한 모습을 최초로 그림으로 기록하였습니다.
1665년과 1708년 사이의 여러 관측에 따르면 적점을 찾을 수 없었다고 합니다. 이후 1878년에 크게 뚜렷해졌으나, 1883년과 20세기 초에 다시 희미해졌었습니다.
지오반니 보렐리와 카시니는 목성의 위성이 목성의 앞뒤를 언제 통과하는지 예측할 수 있도록, 목성의 위성들의 운동에 관해 정밀한 표를 작성하였습니다. 1670년대에는 목성이 지구에 대해 태양 반대편 위치에 있을 때 목성의 위성들이 목성의 앞뒤를 통과하는 시기가 예측된 것보다 약 17분이나 늦게 발생한 것이 관측되었습니다. 올레 뢰머는 이를 통해 관찰이 즉각적이지 않음을 추론하였고(카시니는 처음에 이에 대해 동의하지 않았습니다), 그 시간차를 이용해서 빛의 속도를 측정하였습니다.
1892년, E. E. 바너드는 캘리포니아의 릭 천문대의 36 인치(910 mm) 굴절망원경을 통해 목성의 다섯번째 위성을 발견하였습니다. 이 위성은 후에 아말테아라 이름 붙여졌습니다. 아말테아는 안시관측을 통해 직접적으로 발견된 마지막 위성이었습니다.
1932년에는 루퍼트 빌트는 목성의 스펙트럼에서 암모니아와 메탄의 흡수선을 발견하였습니다.
1938년에는 백색 폭풍(white oval)이라 불리는 세 개의 고기압성 폭풍이 관측되었습니다. 이들은 수십년 동안 서로 접근하기도 하였으나 병합은 하지 않으면서, 대기상에서 별개의 현상으로 존재했었습니다. 그러나 1998년에 두 개의 폭풍이 병합하였고, 2000년에는 남은 하나가 흡수되면서 최종적으로 하나의 더 큰 폭풍, 오벌 BA가 되었습니다.
전파망원경을 이용한 연구
1955년, 버나드 버크와 케네스 프랭클린은 22.2 MHz 대역에서 목성에서 오는 전파 폭발 신호를 탐지하였습니다. 이 폭발의 주기는 목성의 자전주기와 일치하였는데, 이들은 그러한 정보를 통해 목성의 자전속도를 개선할 수 있었습니다. 목성에서 발생한 전파폭발은 두 가지 형태로 나뉘는데, 수 초 정도까지 지속되는 긴 폭발(long burst, L-burst)과 밀리초 이하로 지속되는 짧은 폭발(short burst, S-burst)이 있습니다.