Die Astronomische Länge eines Punktes auf der Erdoberfläche entspricht seiner geografischen Länge, betrifft jedoch nicht seine Position, sondern seine Lotrichtung. Sie ist der Winkel zwischen der Meridianebene eines Punktes und der Meridianebene in Greenwich, und gleichermaßen die Differenz der beiden Sternzeiten (Ortssternzeit minus Greenwich-Sternzeit).
Der Name „astronomisch“ kommt daher, dass sie sich – wie auch die astronomische Breite – nur durch astronomische Messungen („astr. Ortsbestimmung“) ermitteln lässt. Die astronomische Länge bzw. Breite unterscheidet sich von der geografischen Länge bzw. Breite um den Einfluss der Lotabweichung. Letztere stellt die Abweichung der örtlichen Vertikale von ihrer idealen (durch Berge/Täler ungestörten) Richtung dar.
Die Lotabweichung wird durch die Massenunregelmäßigkeiten des Erdkörpers bedingt und kann im Hochgebirge etwa 50″ (0,005°) erreichen (siehe auch Geoid). Ihre Komponenten (Nord-Süd und Ost-West) werden meist mit den Formelzeichen ξ und η bezeichnet.
Zwischen der astronomischen Breite und Länge und ihren geografischen (besser: ellipsoidischen) Äquivalenten besteht die Beziehung
φ′ = φ + ξ und λ′ = λ + η/cos φ
Für eine genaue Geoidbestimmung benötigt man die Lotabweichung an möglichst vielen Orten, und die astronomischen Koordinaten φ′, λ′ sind das Hilfsmittel, um sie zu bestimmen. Man sucht mit einem Universalinstrument (astronomischer Theodolit) oder mit einer Zenitkamera den Durchstoßpunkt der verlängerten Lotlinie am Sternhimmel („astronomischer“ oder „wahrer Zenit“); seine Himmelskoordinaten (Rektaszension und Deklination) lassen sich anschließend direkt in die Werte φ′, λ′ umrechnen.