تم توثيق أولى عمليات الارصاد الفلكية بواسطة الرسومات والقطع الأثرية التي أنشأها أنسان ما قبل التاريخ ، والتي تسجل ما رأوه في السماء. في الثقافات القديمة ، كان علم الفلك مرتبطاً بالمعتقدات الدينية والأساطير. تم استخدام الظواهر الفلكية لقياس الوقت ووضع التقاويم ، مما يسمح لهذه الثقافات بالتخطيط للأحداث اليومية والموسمية.

تسمى الأشكال في سماء الليل التي تتكون من خلال ربط النجوم باستخدام خطوط وهمية بـ " كوكبة نجمية". تم تعريف الأبراج الأولى من قبل الحضارات المبكرة. غالباً ما كانت هذه المجموعات المعروفة من النجوم مرتبطة بالقصص والأساطير من ثقافات قديمة مثل البابلية، المصرية، اليونانية، المايا والصينية. في علم الفلك الحديث ، تعتبر الأبراج مناطق محددة جيداً في السماء ، والتي تجمع بين كل من الأبراج القديمة وتلك المحددة في الفترة الزمنية بين القرن الخامس عشر الى الثامن عشر. كما حددت بعض الثقافات ، مثل السكان الأصليين الأستراليين والسكان الأصليين في أمريكا الجنوبية ، أنماطًا باستخدام الصور الظلية الداكنة في النطاق المضيء لدرب التبانة.

على مر القرون ، استخدم الفنانون والشعراء والكتاب والعديد من المفكرين المبدعين سماء الليل إما كمصدر إلهام و / أو كمواضيع في أعمالهم. حيث يمكن رؤية الموضوعات الفلكية ممثلة في اللوحات والمنحوتات والموسيقى والأفلام والأدب. استخدمت هذه الأعمال الاشكال التي يمكن مشاهدتها في الليل للتواصل بشكل مباشر أو غير مباشر مع جوهر وجمال وغموض سماء الليل. بالتالي فإن عالمية الفن وارتباطه الوثيق بالثقافة يمكن ان تكون وسيلة قوية لجعل الناس يقدرون ليس فقط الجمال الفطري للأجسام السماوية والظواهر الفلكية، بل ايضاً المعرفة التي اكتسبناها عنها. وهذا يزيد من الاهتمام العالمي بعلم الفلك ويعزز التفاهم بين الثقافات من خلال مفهوم الوجود تحت سماء واحدة.

احد اسباب أهتمام الثقافات القديمة بدراسة و تطوير علم الفلك هو زيادة دقة التقويمات الزراعية. وكمثال على ذلك ، طور المصريون تقويماً بناءاً على ارصادهم لنجم الشِّعرَى اليَمَانِيَّة، واستخدموه لتحديد موعد الفيضانات السنوية لنهر النيل.

استخدمت العديد من الحضارات مواقع النجوم والأجرام السماوية الأخرى للتنقل في الأرض والبحار والمحيطات. الملاحة السماوية لا تزال تدرس حتى يومنا هذا.

لغاية عصر ما قبل الحداثة، كان التمييز بين علم الفلك والتنجيم غير واضح. اما اليوم فيتميزان بوضوح عن بعضها البعض. علم الفلك هو علم، بينما التنجيم ليس كذلك. يستخدم التنجيم مواقع الأجرام السماوية للتنبؤ بالأحداث المستقبلية. ومع ذلك ، تظهر الدراسات المستفيضة للتنجيم أنه ليس دقيقاً في تنبؤاته وليس له أي أساس علمي.

أعتقد علماء الفلك الأوائل بأن الأرض كانت مركز الكون. استمرت فكرة مركزية الأرض هذه لأكثر من ألف عام في الثقافات الأوروبية والآسيوية. بينما قدمت ثقافات أخرى ، مثل الثقافات الإسلامية والهندية ، نظريات مركزية الشمس (مع وجود الشمس في المنتصف). لقد وجد علماء الفلك المعاصرون أن الكون ليس له مركز محدد في الفضاء.

في القرن السادس عشر ، قدم كوبرنيكوس دليلاً على نظرية مركزية الشمس، التي تنص على ان الشمس مركز الكون والأرض تدور حولها. على الرغم من أننا نعلم الآن أن الشمس ليست مركز الكون بل مركز نظامنا الشمسي. كانت نظرية كوبرنيكوس لمركزية الشمس ثورية في ذلك الوقت حيث ساهمت في تطوير علم الفلك الحديث.

على الرغم من ان جاليليو لم يخترع التلسكوب، إلا أنه كان أول من استخدمه لأغراض علمية. قادته التحسينات التي أدخلها على تلسكوب الانكسار إلى اكتشافات مهمة مثل: أطوار كوكب الزهرة وأكبر أربعة أقمار لكوكب المشتري، والتي لا تزال يشار إليها بأسم أقمار جاليليو. قدمت اكتشافاته أدلة دامغة تدعم رؤية مركزية الكون.

وصفت بعض الحضارات المبكرة الأرض بأنها عبارة عن قرص مسطح او ذات شكل مستوي. فكرة كروية الأرض كانت موجودة منذ آلاف السنين وكانت منتشرة في العديد من الثقافات، وأصبحت النموذج السائد منذ أكثر من 1000 عام. هناك العديد من الطرق التجريبية لاختبار أن الأرض كروية الشكل تقريباً (يشار إليها تقنياً بأنها ذات شكل كروي مفلطح). واحدة من أقدم الطرق الرياضية هي للعالم إراتوستينس ، الذي قام بقياس محيط الأرض من خلال تحليل أطوال الظلال التي تلقيها العصي في مواقع مختلفة في مصر القديمة (القرن الثالث قبل الميلاد).