Als Zielfehler wird in der Astrometrie und Geodäsie jener kleine Winkelfehler bezeichnet, um den die vom Beobachter oder dem messenden Sensor ausgerichtete Zielachse eines Fernrohrs vom Bild des einzumessenden Gegenstandes abweicht.
Bei einem guten Theodoliten hat der Zielfehler - je nach Erfahrung des Beobachters - Beträge um 1" (0,0003°), bei einem großen astronomischen Meridiankreis etwa 0,1" und beim Astrometriesatelliten Hipparcos etwa 0,01".
Jeder Zielfehler besteht aus einem zufälligen Anteil - der im Zuge einer Ausgleichung auf den plausibelsten Wert reduziert werden kann - und einem systematischen Fehler, der vom Beobachter, dem Messinstrument und den äußeren Bedingungen (Wetter etc.) abhängt. Seine Verringerung ist wesentlich schwieriger und hängt mit der geeigneten Modellbildung und physikalischen Korrelationen zusammen.