日月食、彗星、流星雨，這些壯觀的天象，千百年來吸引着無數人的注意。中國古代的天文觀測者對它們做了大量的目視觀測，同時作了詳細記載。從河南安陽殷墟出土的殷商時期的甲骨文中，有世界上最早的日月食記錄；湖南長沙馬王堆出土的漢代帛書上，記載着各種類型的彗星、太陽黑子；西晉發掘的汲塚書中，保存有世界上最早的隕石雨記錄。

中國古代對於日月食的記錄保持了長期的連續性。最系統、最完整的日食記錄要屬《春秋》中所記錄的由公元前770年到公元前476年中的37次日食。這些日食通過後世的計算核對，有33次是完全可靠的。從春秋到清末，中國共記載了一千六百多條日食記錄，一千一百多條月食記錄。中國古人在上千年探索中，也在苦苦地尋找着日月食究竟是怎樣發生的答案。早在西漢劉向所著的《五經通義》中就有：「日蝕者，月往蔽之」，意思是說，之所以發生日食是因為月亮遮住了太陽的光緣故。由於太陽、地球、月亮的運動是有周期的，在經過一段時間之後，它們三個又回到原來的相對位置，於是以前相繼出現的日月食又會再次出現，這就是交食周期。有關交食周期的記載首見於西漢司馬遷《史記‧天官書》。西漢末年，劉歆提出了135個朔望月有23次食季的交食周期。對交食周期的認識及逐步精密，也是中國天文學史上一項重要成就。

2002年4月20日到5月5日左右，百年難遇的天文現象：五星連珠出現了。當人們在傍晚觀察西方的天空，就會看到水、金、火、木和土星由西向東一字排開。在中國古代，天上出現五星連珠現象就預示着地上的某個人就要當皇帝了。從純粹天文學上來說，五星連珠實在沒有甚麼特殊之處。水星圍繞太陽運動一周大約需要88天，金星需225天，火星687天，木星4,333天，土星10,760天，只要求出這幾個數位的最小公倍數，就是發生一次五星連珠所需天數。

彗星也是古人很早就注意到的一種天象。最早及比較可靠的彗星記錄當屬《春秋》中的：「魯文公十四年（公元前613年）秋七月，有星孛入於北斗」。據後人考證，這也是世界上對哈雷彗星最早的記錄。恒星中有一些亮度發生變化的恒星叫做變星。它的亮度能夠突然增加幾萬倍，這類變星叫做新星。歷史上最早的超新星記錄大概要屬《後漢書‧天文志》中記載的「中平二年十月癸亥，客星出南門中，……至後年六月消」。世界公認的最早的太陽黑子記錄是《漢書‧五行志》的記載：「河平元年（公元前28年）三月乙未，日出黃，有黑氣，大如錢，居日中」。從漢代到明末，中國共記載太陽黑子一百多次，都有其出現的時間、形狀和大小的記錄。