直接探测法——10¹⁴eV以下的宇宙射线，通量足够大，可用面积约在平方公尺左右的粒子探测器，直接探测原始宇宙射线。这类探测器需要人造卫星或高空气球运载，以避免大气层吸收宇宙射线。

间接探测法——10¹⁴eV以上的宇宙射线，由于通量小，必须使用间接测量，分析原始宇宙射线与大气的作用来反推原始宇宙射线的性质。 当宇宙射线撞击大气的原子核后产生一些重子、轻子及光子(γ 射线)。这些次级粒子再重复作用产生更多次级粒子，直到平均能量等于某些临界值，次级粒子的数目达到最大值，称为簇射极大，在此之后粒子逐渐衰变或被大气吸收，使次级粒子的数目逐渐下降，这种反应称为“空气簇射”。地球地表的主要辐射源是放射性矿物，空气簇射的次级粒子是高空的主要辐射源，海拔20公里处辐射最强，100公里以上的太空辐射则以太阳风及宇宙射线为主。

空气簇射的成份主要以轻子居多，重子最少。探测空气簇射有三种方式：地面（及地下）阵列、切伦可夫望远镜、荧光望远镜（左图）。

地面（及地下）阵列通常需要多个带电粒子探测器组成，分布于广大平坦的区域，次级粒子才能有充足的取样，可全年操作。切伦可夫望远镜可探测由次级粒子产生的切伦可夫光，熒光望远镜可探测带电粒子游离氮气产生的熒光，这两种望远镜只能在夜间操作且需避开城市光源，平均操作时间只有10%。

宇宙射线为来自太阳系以外的高能量粒子，能量约从10⁹eV to 10²⁰eV以上。在靠近地球的太空中，每秒每平方公分约有一个宇宙射线穿过。宇宙射线的主要成份是质子，及其它核种从氦核到铁核以上，甚至微量的镧系元素。人造粒子加速器其最高能量约为10¹³eV。右图显示了宇宙射线的能谱，横跨12个数量级的能量。能谱上有两个有重要物理意义的转折点，10¹⁵eV称为膝点(knee)，3′10¹⁸eV称为踝点(ankle)。

极高能宇宙射线(Ultra High Energy Cosmic Rays: UHECR)主要研究10¹⁸eV以上的宇宙射线。为什么会有这么高的能量？它们的来源在那里？它们是什么粒子？这些都是宇宙射线物理学家的研究课题。

UHECR的研究与早期宇宙与微波背景、微中子与暗物质成为现代天文粒子物理学研究的三大主流。