天文學幾乎與人類自身的歷史同樣古老。當原始人類利用簡單的工具採集和漁獵以獲取食物時，他們就靠觀察太陽來決定自己出行的時間和遠近。當人類進入耕種時代之後，農業生產中的播種、耕耘、收穫、儲藏都要和季節變化緊密配合。最初古人只有根據冰雪甚麼時候消融，楊柳甚麼時候發芽來定季節或月份，逐漸地，古人也認識到天象循環和物候變化存在着依存關係，於是他們開始利用觀察日月星辰來確定季節與月份。這種根據天象變化來定春夏秋冬的方法就叫「觀象授時」。

太陽為萬物生長帶來光和熱，月亮為夜間活動的人帶來光明，因此古代人類瞻仰和崇拜這兩顆天空的巨燈是很自然的。古代的人想像一定有神魔移動這些燈，這些神魔或善良或邪惡，但卻控制和掌握着人類的命運和個性。這就是建立在早期巫術信仰上的星占學，它對天文觀測起了很大的推動作用。相傳在遠古時候，共工和顓頊兩人為了爭奪天下發生了爭戰。共工失敗後，一氣之下跑到了大地的西北角，撞倒了那裏的不周山。不周山原是八根擎天柱之一，撞倒之後，西北方的天就塌了，東南方的地也陷了下去。於是，天上的日月星辰都滑向西北方，地上的流水泥沙都流向了東南方。當古人對自然現象的成因不能理解時，就想像出各種神話傳說，以表達他們對自然界各種現象的揣測。

殷商甲骨文中就已經出現了好幾個恒星的名字。中國最古老詩歌總集《詩經》就有「七月流火，九月授衣」字句，意思是說當在七月份的黃昏看到「大火（心宿二）」向西南方很快落下時，就要準備冬衣了，以便九月份能夠穿上。到了戰國時期，魏國的石申夫就開始測定恒星的位置。漢代形成的《石氏星經》可以說是世界上最早的星表。曆法方面，寒來暑往的周期是一年，一年的長度在先秦時期是365.25日；月盈月虧的周期是一個朔望月，一個朔望月的長度在先秦時期大約是29.53日。年、月、日構成了曆法的三個基本要素。曆法的主要任務就是合理地安排年、月、日三種周期，以使它們成為整數，這樣不但便於記憶，也便於使用。

中國的陰陽合曆是編算方法，它不僅考慮月亮的圓缺變化，而且考慮到太陽的周年視運動。據考證，中國大約從殷商時期就已經開始使用陰陽曆了，陰陽曆基本上能保持月份和氣候的冷暖相一致，不會像陰曆那樣，甚至在六月也可能出現下雪的天氣。中國古代天文儀器有測量用的圭表、渾儀、簡儀和仰儀等；有計時用的漏刻、日晷、更香；有演示天象用的渾象、假天儀等；還有集測量、演示、計時於一身的綜合儀器，如水運儀象台。這些儀器多為皇家天文台建造，因此在製作上精益求精，從用料上、製造工藝上，甚至在裝飾上，古人都在追求盡善盡美。