Sao Kim luôn luôn sáng hơn bất kỳ một ngôi sao nào ngoài Mặt Trời. Độ sáng lớn nhất của nó, có giá trị −4,9, xuất hiện ở pha hình lưỡi liềm khi nó ở gần Trái Đất. Sao Kim mờ dần về cấp sao −3 khi nó ngược sáng so với Mặt Trời. Hành tinh này đủ sáng để có thể nhìn thấy vào buổi trưa khi trời quang đãng vào thời điểm thích hợp, và nó có thể dễ dàng nhìn thấy khi Mặt Trời ở dưới đường chân trời. Là một hành tinh ở phía trong, góc ly giác của nó luôn luôn nằm dưới góc 47° khi nhìn về phía Mặt Trời.

Sao Kim "vượt qua" Trái Đất cứ mỗi 584 ngày Trái Đất trên quỹ đạo quanh Mặt Trời. Trong mỗi chu kỳ này, nó thay đổi từ "Sao Hôm", hiện lên sao khi Mặt Trời lặn, thành "Sao Mai", nhìn thấy được trước khi Mặt Trời mọc. Trong khi Sao Thủy, một hành tinh phía trong khác, có góc ly giác cực đại bằng 28° và thường khó quan sát duói ánh sáng lúc chạng vạng, Sao Kim rất dễ nhận ra khi nó ở thời điểm sáng nhất. Góc ly giác của nó lớn hơn có nghĩa là nó ở trên bầu trời tối lâu hơn sau khi Mặt Trời lặn. Là một điểm sáng nhất trên bầu trời đêm, đôi khi người ta nhầm lẫn Sao Kim với những "". Tổng thống Hoa Kỳ đã từng nói ông đã trông thấy một UFO năm 1969, mà sau khi phân tích thì khả năng đó là hình ảnh của Kim Tinh. Và vô số những báo cáo kỳ lạ khác liên quan đến Sao Kim.

Khi Sao Kim chuyển động trên quỹ đạo, hình ảnh của nó hiện lên qua kính thiên văn với những pha khác nhau giống như : Trong pha Sao Kim, hành tinh có hình ảnh tròn "đầy" nhỏ khi Mặt Trời ở giữa tương đối Sao Kim và Trái Đất. Nó có pha phần tư lớn dần khi tiến đến vị trí có góc ly giác lớn nhất tính từ Mặt Trời, và chính là vị trí nó có độ sáng lớn nhất, và hiện lên với hình lưỡi liềm mỏng dần khi quan sát qua thấu kính khi nó tiến về phía gần Trái Đất. Hình ảnh của Sao Kim lớn nhất khi nó ở "pha mới", lúc hành tinh ở giữa Trái Đất và Mặt Trời. Khí quyển của nó có thể nhìn qua kính thiên văn và chúng ta sẽ nhận thấy một vành sáng phản xạ của ánh sáng Mặt Trời trên khí quyển hành tinh.

Mặt phẳng quỹ đạo Sao Kim hơi nghiêng so với của Trái Đất; do vậy khi hành tinh vượt qua giữa Trái Đất và Mặt Trời, nó thường không đi qua đĩa Mặt Trời. Hiện tượng xuất hiện khi thời điểm giao hội trong của hành tinh trùng với vị trí có mặt của nó trên mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất. Sự đi qua này có chu kỳ 243 năm trong đó có cặp hiện tượng đi qua cách nhau 8 năm, mỗi cặp hiện tượng này cách nhau khoảng 105,5 năm hoặc 121,5 năm—hiện tượng Sao Kim đi qua Mặt Trời do nhà thiên văn học tính toán và phát hiện đầu tiên vào năm 1639.

Cặp hiện tượng đi qua gần đây nhất là vào ngày và . Sự kiện này đã được cộng đồng những người yêu thích thiên văn nghiệp dư cũng như các nhà thiên văn đón nhận và tận dụng cơ hội để quan sát.

Cặp trước đó xảy ra vào tháng 12 năm 1874 và tháng 12 năm 1882; trong khi cặp hiện tượng tiếp theo sẽ diễn ra vào tháng 12 năm 2117 và tháng 12 năm 2125. Về mặt lịch sử, sự kiện Sao Kim đi qua Mặt Trời là một hiện tượng hiếm có cho phép các nhà thiên văn học xác định được trực tiếp giá trị của 1 , và từ đó xác định được kích cỡ của Hệ Mặt Trời như được chỉ ra bởi Horrocks năm 1639. Chuyến thám hiểm của đến bờ đông của Australia sau khi ông đã đến năm 1768 nhằm quan sát hiện tượng này.

"Ngôi sao năm cánh" của Sao KimBức ảnh "ngôi sao năm cánh" của Sao Kim. Trái Đất được đặt ở trung tâm biểu đồ và đường cong hiển thị hướng đi và khoảng cách của Sao Kim dưới dạng hàm số thời gian.

"Ngôi sao năm cánh" của Sao Kim là đường đi mà Sao Kim tạo ra khi quan sát từ . Những lần giao hội trong của Sao Kim liên tục lặp lại rất gần với tỷ lệ 13:8 (Trái Đất quay 8 vòng trên quỹ đạo, trong khi Sao Kim thực hiện 13 vòng quỹ đạo), dịch chuyển 144° theo những lần giao hội liên tiếp. Và 0,615138 là con số gần đúng cho tỷ lệ đó (8/13 = 0,615138), trong khi Sao Kim quay quanh Mặt Trời trong 0,61519 năm.

Sự hiện diện vào ban ngày

Dễ dàng quan sát Sao Kim nhất vào giữa lúc ban ngày (broad daylight) là vào khoảng thời gian giữa lúc nó sáng rực nhất trên bầu trời buổi tối hoặc buổi sáng, khoảng 37 ngày trước và sau khi nó đi vào , và khi nó đạt phía đông hoặc phía tây của Mặt Trời, diễn ra khoảng 70 ngày trước và sau khi ly giác của nó đạt giá trị cực đại. Có lẽ cách dễ nhất để xem Sao Kim vào ban ngày là theo dõi nó vào , trong trường hợp này vẫn sẽ quan sát sau khi .

Các quan sát Sao Kim bằng mắt thường trong thời điểm ban ngày tồn tại trong một số giai thoại và đã ghi chép lại. Vào năm 1776, nhà thiên văn học đã tính toán độ sáng tối đa của nó khi nhìn bằng mắt thường, khi nhiều người dân hoảng hốt vì sự xuất hiện của nó vào ban ngày. Hoàng đế của từng chứng kiến sự xuất hiện của Sao Kim vào ban ngày khi đang dự tiệc long trọng ở . Một cuộc quan sát mang tính lịch sử của hành tinh vào ban ngày được diễn ra trong lễ nhậm chức của tổng thống tại vào ngày 4 tháng 3 năm 1865. Mặc dù khả năng quan sát các pha của Sao Kim bằng mắt thường vẫn còn bị tranh cãi, nhưng vẫn còn tồn tại những ghi chép quan sát về các pha lưỡi liềm của Sao Kim.

Ánh sáng xám

Có một bí ẩn từ lâu trong khi quan sát Sao Kim đó là hiện tượng ánh sáng xám - một hình ảnh được chiếu sáng yếu của mặt tối hành tinh, khi hành tinh ở pha lưỡi liềm. Lần đầu tiên hiện tượng này được phát hiện đó là vào năm 1643, nhưng sự tồn tại của ánh sáng xanh vẫn chưa được xác nhận một cách tin cậy. Những người quan sát nghĩ rằng hiện tượng này là do những hoạt động có sự tham gia của luồng điện tích trong khí quyển Sao Kim, hoặc nó cũng có thể là một ảo ảnh, một hiệu ứng liên quan đến thị giác khi người quan sát nhìn vào hình ảnh lưỡi liềm của nó.

Nghiên cứuNghiên cứu ban đầu"Hiệu ứng giọt đen" được ghi lại trong lần Sao Kim đi qua Mặt Trời năm 1769.

Người cổ đại đã biết đến Sao Kim với những tên gọi "sao hôm" và "sao mai", phản ánh những hiểu biết ban đầu của họ về sự xuất hiện của hai thiên thể khác nhau. , từ năm 1581 trước Công nguyên, cho thấy người Babylon đã hiểu được hai vật thể tách biệt này thực ra là một, và họ coi nó là "nữ hoàng ánh sáng của bầu trời" khi ghi trên bảng, và cho phép hỗ trợ cũng như tiên đoán trong các quan sát sau. Người Hy Lạp cũng từng nghĩ đây là hai thiên thể riêng biệt, sao Phosphorus và sao Hesperus, cho đến khi mới phát hiện ra điều này ở thế kỷ thứ VI trước Công nguyên. Người La Mã coi sao hôm là Lucifer, hay "Người mang lại ánh sáng", và sao hôm là Vesper.

Hiện tượng Sao Kim đi qua Mặt Trời lần đầu tiên được quan sát và ghi chép lại bởi nhà thiên văn Jeremiah Horrocks ngày 4 tháng 12 năm 1639 (24 tháng 11 theo thời đó), cùng với người bạn của ông là William Crabtree, mỗi người quan sát tại nhà riêng của họ.

là người đầu tiên nhận ra các pha của Sao Kim và càng củng cố niềm tin của ông là các hành tinh quay quanh Mặt Trời chứ không phải Trái Đất.

Khi nhà bác học lần đầu tiên hướng ống kính quan sát Sao Kim vào năm 1610, ông đã nhận ra hành tinh này cũng có các pha giống như , hình ảnh của nó biến đổi từ gần tròn cho đến hình lưỡi liềm và ngược lại. Khi Sao Kim ở cách xa Mặt Trời nhất, nó hiện lên là hình nửa hình tròn, và khi nó tiến gần đến Mặt Trời trên nền bầu trời, nó có hình lưỡi liềm và tròn. Điều này chỉ có thể xảy ra khi Sao Kim quay quanh Mặt Trời trên quỹ đạo, và là một trong những quan sát đầu tiên mâu thuẫn với mô hình địa tâm của Ptolemy.

Nhà khoa học là người đầu tiên phát hiện Sao Kim có vào năm 1761. Cho tới năm 1790, khí quyển của hành tinh mới được quan sát rõ ràng bởi nhà thiên văn Johann Schröter. Schröter phát hiện thấy khi hành tinh ở pha lưỡi liềm, hai đỉnh nhọn của cung lưỡi liềm kéo dài hơn 180°. Ông đoán chính xác điều này là do ánh sáng Mặt Trời từ khí quyển dày đặc. Sau đó, nhà thiên văn Chester Smith Lyman quan sát thấy một vòng sáng đầy đủ trong pha tối Sao Kim khi nó ở vị trí giao hội trong, cung cấp thêm bằng chứng nữa cho khẳng định trên Sao Kim có khí quyển. Do khí quyển dày đặc nên nhiều nhà thiên văn đã nỗ lực để xác định chu kỳ tự quay của hành tinh, như và Schröter đã tính sai chu kỳ tự quay của nó bằng khoảng 24 giờ khi hai ông dựa trên những đặc điểm sáng từ hình ảnh quan sát hành tinh.

Nghiên cứu thời hiện đại dưới mặt đấtẢnh Sao Kim chụp từ kính thiên văn 250 mm.

Ít có thêm khám phá về Sao Kim cho đến tận thế kỷ XX. Do khí quyển quá dày nên nó chỉ hiện ra là một cái đĩa tròn hoặc hình lưỡi liềm, và người ta vẫn không biết hình ảnh bề mặt của nó như thế nào. Chỉ đến khi các thiết bị như phổ kế, và quan sát qua tia tử ngoại thì các nhà thiên văn mới phát hiện thêm nhiều đặc điểm của hành tinh. Quan sát bằng UV đầu tiên được thực hiện trong thập niên 1920, khi Frank Ross phát hiện thấy sử dụng tia UV các hình ảnh cho nhiều chi tiết hơn khi quan sát bằng ánh sáng khả kiến và hồng ngoại. Ông nêu ra là điều này do khí quyển của hành tinh rất dày đặc, tầng thấp khí quyển màu vàng với những đám ở trên cao.

Quan sát qua phổ kế từ thập niên 1900 đưa ra manh mối đầu tiên về sự tự quay của hành tinh. cố gắng đo từ ánh sáng phản xạ từ Sao Kim, nhưng ông đã không thể tìm ra hành tinh tự quay. Do vậy ông đoán rằng hành tinh phải có tốc độ tự quay rất chậm so với trước đây người ta từng nghĩ. Những nghiên cứu về sau trong những năm 1950 chỉ ra Sao Kim tự quay nghịch hành. Những quan sát bằng ra đa thực hiện đầu tiên trong những năm 1960 cho những kết quả đầu tiên về tốc độ tự quay của hành tinh và đã rất gần với giá trị chính xác ngày nay.

Kết quả từ quan trắc ra đa những năm 1970 lần đầu tiên còn cho những hình ảnh chi tiết về bề mặt Sao Kim. Những xung của sóng vô tuyến được phát lên hành tinh và đo tín hiệu phản hồi lại thu tại kính thiên văn vô tuyến đường kính 300 m ở , và các nhà khoa học nhận thấy tiếng vọng ra đa thể hiện khá mạnh ở hai vùng, mà họ đặt là các vùng Alpha và Beta. Sau các phân tích thì những vùng sáng trên ảnh ra đa là các rặng núi, mà họ đặt tên là ngọn Maxwell Montes. Ba đặc điểm duy nhất này trên Sao Kim được đặt tên không thuộc về phái nữ.