Els primers enregistraments d'observacions astronòmiques provenen de dibuixos i d'artefactes creats per persones prehistòriques, i documenten allò que veien en el firmament. En les cultures antigues, l'Astronomia estava relacionada amb les creences religioses i mitològiques. Els fenòmens astronòmics es feien servir per a mesurar el temps i crear calendaris, cosa que permetia a aquestes cultures planificar els esdeveniments diaris i estacionals.
Les figures del firmament nocturn formades per la connexió d'estrelles mitjançant línies imaginàries s'anomenen constel·lacions. Les cultures antigues van descriure les primeres constel·lacions. Aquests grups recognoscibles d'estrelles sovint es relacionaven amb la mitologia de cultures com ara la grega, la maia, la dels nadius americans i la xinesa. En l'Astronomia moderna, les constel·lacions són regions del firmament ben definides que combinen tant les constel·lacions antigues com les definides als segles XV, XVI, XVII i XVIII. Algunes cultures, com ara els indígenes australians i els pobles nadius d'Amèrica del Sud, també identificaven figures fent servir les siluetes fosques de la banda lluminosa de la Via Làctia.
Al llarg dels segles, els artistes, els poetes, els escriptors i molts pensadors creatius han fet servir el cel nocturn com a font d'inspiració i/o com a tema de la seva obra. Els temes astronòmics es veuen representats, per exemple, en les pintures, les escultures, la música, les pel·lícules i la literatura. Aquestes obres inclouen els motius observables que es veuen de nit per a comunicar directament o indirecta l'essència, la bellesa i el misteri del firmament nocturn. La universalitat de l'art i la seva connexió íntima amb la cultura, poden ser, per tant, un mitjà poderós per tal que la gent apreciï no només la bellesa innata dels objectes i fenòmens celestes, sinó també el coneixement que n'hem adquirit. Això augmenta l'interès mundial per l'Astronomia i afavoreix una comprensió intercultural global amb la idea prevalent d'existir sota un mateix firmament.
En moltes cultures antigues, l'Astronomia es va desenvolupar per incrementar la precisió dels calendaris agrícoles. Els egipcis, per exemple, van crear un calendari basat en les observacions de l'estrella Sírius, cosa que servia per a determinar la inundació anual del riu Nil.
Moltes civilitzacions van utilitzar la posició de les estrelles i dels altres objectes celestes per a navegar per la terra, els mars i els oceans. Avui dia, la navegació celeste encara s'ensenya.
Fins a l'època premoderna, la distinció entre Astronomia i astrologia era vaga. Avui dia, l'Astronomia i l'astrologia es distingeixen clarament l'una de l'altra. L'Astronomia és una ciència i l'astrologia no. L'astrologia fa servir les posicions dels objectes celestes per predir esdeveniments futurs. Tanmateix, s'han fet nombrosos estudis que demostren que l'astrologia no és pas exacta en les seves prediccions i no té cap fonament científic.
La majoria de cultures antigues, amb les notables excepcions d'alguns astrònoms grecs del segle III abans de la nostra era, creien que la Terra era el centre de l'Univers. Aquesta visió geocèntrica va durar més de dos mil·lennis en les cultures europees i asiàtiques fins a l'anomenada revolució copernicana que va tenir lloc al segle XVI. Els astrònoms moderns han establert que l'Univers no sembla tenir un centre específic.
Al segle XVI, Copèrnic va proposar la teoria heliocèntrica en què el Sol era el centre de l'Univers i la Terra es movia al seu voltant. Tot i que ara sabem que el Sol no és el centre de l'Univers, sí que és el centre del Sistema Solar. En la seva època, la teoria de l'heliocentrisme de Copèrnic va ser revolucionària, i va contribuir al desenvolupament de l'Astronomia moderna.
Tot i que no havia inventat el telescopi, Galileu va ser el primer a fer-lo servir amb finalitats científiques. Les seves millores al telescopi refractor el van portar a descobriments com ara les fases de Venus i els quatre satèl·lits més grans de Júpiter, encara coneguts avui dia com a satèl·lits galileans. Els seus descobriments van proporcionar proves convincents de la visió heliocèntrica de l'Univers.
Algunes cultures antigues en moltes regions del món descrivien la Terra com un pla o un disc com a part de la seva concepció de l'Univers. La idea que la Terra és una esfera existeix des de fa uns mil·lennis, ha format part important de les visions del món de moltes civilitzacions i ha esdevingut el paradigma dominant des de fa més de mil anys. Hi ha nombroses maneres empíriques de provar que la Terra té una forma aproximadament esfèrica (tècnicament es coneix com a un esferoide oblat). Un dels primers mètodes matemàtics per a calcular-ne les dimensions va ser obra d'Eratòstenes. Va calcular la circumferència de la Terra després de mesurar la longitud de les ombres projectades per uns pals clavats en diferents llocs de l'antic Egipte (segle III a.n.e.).
