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À sa mort, il avait écrit 12 monographies sur l'astronomie et l'histoire de l'astronomie, dont en 1989 l'ouvrage remarqué Astrophysics of Gaseous Nebulae and Active Galactic Nuclei, ainsi que sa deuxième édition récemment révisée et enrichie (2006), écrite avec Gary Ferland de l'université du Kentucky. En plus de ses 150 articles en astronomie et en astrophysique, il publia 70 études historiques, mémoires biographiques, et notices nécrologiques de personnalités majeures de l'astronomie des dix-neuvième et vingtième siècles, ainsi que de nombreuses critiques de livres.
Les recherches d'Osterbrock comprenaient des travaux sur la nature des gaz ionisés autour des étoiles chaudes et l'étude des galaxies à noyau actif alimentées par des trous noirs.