ดาวเคราะห์นอกระบบจะเป็นดาวที่จางมาก ๆ เมื่อเทียบกับดาวฤกษ์ดวงแม่ของมัน ในระดับความยาวคลื่นที่ตามองเห็นดาวเคราะห์เหล่านี้จะส่องสว่างน้อยกว่าดาวแม่นับล้านเท่า นอกจากความส่องสว่างที่น้อยมาก ๆ แล้ว แสงสว่างจากดาวฤกษ์เองก็บดบังดาวเคราะห์ไปเสียด้วย

ด้วยเหตุผลดังกล่าว กล้องโทรทรรศน์ในปัจจุบันจึงสามารถจับภาพโดยตรงของดาวเคราะห์นอกระบบได้เฉพาะดวงที่มีสภาวะพิเศษเท่านั้น คือในกรณีที่ดาวเคราะห์นั้นมีขนาดใหญ่มาก ๆ (ใหญ่กว่าดาวพฤหัสบดี) และอยู่ค่อนข้างห่างจากดาวฤกษ์ดวงแม่ รวมถึงมีความร้อนเพียงพอที่จะแผ่รังสีอินฟราเรดออกมา

ดาวเคราะห์นอกระบบที่รู้จักโดยส่วนใหญ่เป็นการค้นพบโดยวิธีการทางอ้อม ดังต่อไปนี้:

• มาตรดาราศาสตร์: มาตรดาราศาสตร์เป็นการตรวจหาตำแหน่งที่แน่นอนของดาวบนท้องฟ้าและเฝ้าสังเกตเส้นทางการเคลื่อนที่ของดาวเมื่อผ่านช่วงเวลาหนึ่ง ถ้าดาวฤกษ์นั้นมีดาวเคราะห์ในระบบ แรงโน้มถ่วงจากดาวเคราะห์จะส่งผลต่อดวงดาวให้เคลื่อนที่เป็นวงกลมแคบ ๆ หรือเป็นวงโคจรแบบรีรอบ ๆ จุดศูนย์กลางร่วมของมวลทั้งหมด (ดูภาพประกอบทางขวามือ)

• ความเร็วแนวเล็ง หรือวิธีดอปเปลอร์: ความเร็วที่เปลี่ยนแปลงไปเมื่อดาวเคลื่อนที่เข้าหาหรือออกห่างจากโลก - กล่าวคือความเร็วแนวเล็งของดาวเมื่อเทียบกับโลก - สามารถคำนวณย้อนไปจากระยะห่างของเส้นสเปกตรัมของดาวฤกษ์ดวงแม่ตามปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ได้[23] วิธีนี้เป็นวิธีที่ได้ผลที่สุดเท่าที่ใช้ในปัจจุบัน

• การจับเวลาพัลซาร์: ดาวพัลซาร์ (เศษดาวเล็ก ๆ ที่หนาแน่นมากที่ระเบิดเหมือนซูเปอร์โนวา) จะส่งคลื่นวิทยุอย่างแรงออกมาขณะที่มันหมุนตัว ความผิดปกติจากระยะเวลาส่งคลื่นวิทยุเป็นจังหวะ ๆ ทำให้สามารถตรวจความเปลี่ยนแปลงในการเคลื่อนที่ของพัลซาร์อันเนื่องมาจากการมีอยู่ของดาวเคราะห์ได้

• การเคลื่อนผ่าน: ถ้าดาวเคราะห์เดินทางข้ามหรือเคลื่อนผ่านด้านหน้าของแผ่นจานดาวฤกษ์ดวงแม่ของมัน แสงสว่างที่สังเกตได้จากดาวฤกษ์จะลดลงเล็กน้อย ปริมาณแสงที่ลดลงขึ้นกับขนาดของทั้งดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ของมัน

• ไมโครเลนส์ของแรงโน้มถ่วง: ไมโครเลนส์เกิดขึ้นเมื่อสนามแรงโน้มถ่วงของดาวฤกษ์มีลักษณะคล้ายเลนส์ ทำให้แสงจากดาวอื่นที่อยู่ไกลออกไปด้านหลังขยายใหญ่มากขึ้น วงโคจรของดาวเคราะห์ที่อาจมีพาดผ่านหน้าดาวฤกษ์ทำให้สามารถตรวจจับความผิดปกติกับส่วนโค้งของแสงจากปรากฏการณ์เลนส์ได้

• จานฝุ่นละออง: จานของฝุ่นละอองในอวกาศจะห่อหุ้มอยู่รอบดาวฤกษ์หลายดวง เราสามารถตรวจพบฝุ่นละอองเหล่านี้ได้เนื่องจากฝุ่นละอองจะดูดซับแสงปกติของดาวและปลดปล่อยพลังงานออกมาในช่วงคลื่นอินฟราเรด การวิเคราะห์คุณลักษณะของจานฝุ่นละอองสามารถบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของดาวเคราะห์ได้

• ดาวคู่อุปราคา: ในระบบดาวคู่อุปราคา เราสามารถตรวจพบดาวเคราะห์ได้จากการเปลี่ยนแปลงของช่วงแสงขณะที่ดาวเคราะห์เคลื่อนผ่านไปผ่านมา วิธีนี้เป็นวิธีที่น่าเชื่อถือมากที่สุดในการค้นหาดาวเคราะห์ในระบบดาวคู่

• เฟสการโคจร: ดาวเคราะห์นอกระบบก็มีเฟสคล้ายกันกับดวงจันทร์และดาวศุกร์ โดยที่เฟสการโคจรจะขึ้นอยู่กับความเอียงของระนาบการโคจร การศึกษาเฟสการโคจรสามารถคำนวณขนาดอนุภาคในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ได้

• การวัดการโพลาไรซ์: แสงของดาวฤกษ์จะถูกโพลาไรซ์โดยโมเลกุลของชั้นบรรยากาศ ซึ่งสามารถตรวจสอบด้วยเครื่องวัดการโพลาไรซ์ นับถึงปัจจุบันมีดาวเคราะห์หนึ่งดวงที่ถูกศึกษาด้วยวิธีนี้

ถ้าไม่นับดาวเคราะห์นอกระบบที่ยังไม่ได้รับการยืนยัน ดาวเคราะห์นอกระบบส่วนมากจะถูกค้นพบโดยกล้องโทรทรรศน์บนพื้นโลก อย่างไรก็ตามวิธีการหลายวิธีอาจให้ผลที่ดีกว่าเมื่อใช้กล้องโทรทรรศน์ที่ตั้งอยู่เหนือชั้นบรรยากาศ COROT (ปล่อยขึ้นเมื่อเดือนธันวาคม 2006) และ Kepler (ปล่อยขึ้นเมื่อเดือนมีนาคม 2009) เป็นเพียงสองโครงการในปัจจุบันที่มีภารกิจในการค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบ กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้ค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบเพียงไม่กี่ดวง แต่ก็ยังมีโครงการอีกหลายโครงการที่มีภารกิจในค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบ เช่น New Worlds Mission. Darwin, Space Interferometry Mission, Terrestrial Planet Finder และ PEGASE