Legendär ist seine Beobachtung des Sternschnuppensturms der Leoniden in Cumaná in Venezuela. Binnen weniger Stunden waren Zehntausende Meteore zu sehen. Als sich 1833 dieses Schauspiel wiederholte, beschäftigte sich Alexander von Humboldt mit dem periodischen Auftreten von Sternschnuppen.

Humboldt beobachtete zudem intensiv das Zodiakallicht. Dieses schwache Leuchten in der Ebene des Sonnensystems schrieb er zurecht feinstem Material zu, das zwischen den Planeten verteilt sei. Er vermutete, solches Material könne verklumpen und Planeten bilden. Bis dahin hatten sich die Astronomen kaum mit dem Entstehen und der Entwicklung von Himmelskörpern beschäftigt.

Humboldt hat die Helligkeit und die Farbe vieler Sterne am Südhimmel bestimmt, allerdings sind diese Daten von keinem großen wissenschaftlichen Wert. Später pflegte er intensive Briefwechsel mit den bedeutendsten Himmelsforschern seiner Zeit, etwa mit Carl Friedrich Gauß in Göttingen. In Berlin regte er den Bau einer neuen Sternwarte an. Besonders fasziniert war Humboldt von einer leichten Schwankung der Erdachse, die Friedrich Wilhelm Bessel beobachtet hatte. Er schrieb dies – fälschlicherweise – der Verlagerung von Materie im Erdinnern zu.

Alexander von Humboldt war ein vielseitiger Naturforscher, aber im klassischen Sinne kein Astronom.