Die frühesten Zeugnisse astronomischer Beobachtungen sind Zeichnungen und Gegenstände, die von prähistorischen Menschen geschaffen wurden. Diese Menschen bildeten ab, was sie am Himmel sahen. In frühen Kulturen war die Astronomie eng mit religiösen und mythischen Vorstellungen verknüpft. Man nutzte astronomische Phänomene außerdem, um den Ablauf der Zeit zu messen und Kalender anzufertigen. Das erlaubte es, für den Tages- und den Jahreslauf vorauszuplanen.

Figuren am Nachthimmel, die durch die Verbindung heller Sterne durch gedachte Linien entstehen, nennt man Sternbilder. Die ältesten Sternbilder wurden bereits in sehr frühen Kulturen definiert. Diese wiedererkennbaren Sterngruppen wurden oft mit kulturellen Geschichten und Mythen verknüpft, etwa bei den Griechen, den Maya und anderen indigenen Völkern Amerikas, und den Chinesen. In der modernen Astronomie sind Sternbilder wohldefinierte Bereiche am Himmel, die sowohl auf die antiken Sternbilder als auch auf solche aus dem 15. bis 18. Jahrhundert zurückgehen. Einige Zivilisationen, wie die australische Urbevölkerung und die indigenen Völker Südamerikas, erkannten auch in den Mustern der Dunkelwolken der Milchstraße Figuren.

Über die Jahrhunderte hinweg hat der Nachthimmel Künstler*innen, Dichter*innen und Autor*innen und viele weitere Denker*innen inspiriert. Astronomische Motive finden sich in Gemälden, Skulpturen, in der Musik, in Filmen und in literarischen Werken. Dabei werden Motive mit Bezug zum Nachthimmel verwendet, um direkt oder indirekt die grundlegenden Eigenschaften, die Schönheit oder Geheimnisse des Nachthimmels darzustellen. Kunst ist universell, und untrennbar mit der Kultur als Ganzes verbunden. Sie ermöglicht es den Menschen daher nicht nur, die Schönheit der Himmelsobjekte und -phänomene schätzen zu lernen, sondern kann auch Zugänge zu unserem Wissen über den Himmel schaffen. Das fördert das weltweite Interesse an der Astronomie und schafft quer durch die verschiedenen Kulturen ein Verständnis dafür, was es heißt, unter einem gemeinsamen Himmel zu leben.

In zahlreichen alten Kulturen trieb man die Astronomie voran, um die Genauigkeit der Landwirtschaftskalender zu erhöhen. Die Ägypter etwa entwickelten einen Kalender auf der Basis von Beobachtungen des Sterns Sirius: Aus dessen Stellung am Himmel leiteten sie die Vorhersage der jährlichen Überflutungen durch den Nil ab, die die umliegenden Felder fruchtbar machten.

Viele Zivilisationen nutzten die Positionen der Sterne oder anderer Himmelskörper zur Orientierung auf ihren Reisen zu Lande oder zur See. Die astronomische Navigation wird auch heute noch unterrichtet

Bis in die Neuzeit waren Astronomie und Astrologie nicht klar getrennt. Heute ist das anders: Die Astronomie ist eine Wissenschaft und die Astrologie ist es nicht. In der Astrologie nutzt man die Position von Himmelskörpern, um die Zukunft vorherzusagen. Doch umfangreiche Forschungen zur Astrologie haben gezeigt, dass ihre Vorhersagen nicht verlässlich sind und keine wissenschaftliche Grundlage besitzen.

Frühe Astronom*innen glaubten, die Erde ruhe im Mittelpunkt des Universums. Die meisten frühen Kulturen, mit Ausnahme einiger griechischer Astronom*innen in der Zeit um 300 Jahre vor unserer Zeitrechnung, sahen die Erde als Zentrum des Universums. Dieses geozentrische Weltbild hielt sich in europäischen und asiatischen Kulturen über ein Jahrtausend lang, bis zur kopernikanischen Revolution im 16. Jahrhundert.In der modernen Astronomie hat das Universum keinen irgendwie ausgezeichneten Mittelpunkt.

Im 16. Jahrhundert formulierte Nikolaus Kopernikus Argumente für das heliozentrische Weltmodell, nach dem die Sonne im Mittelpunkt des Universums steht und die Erde sie umkreist. Zwar wissen wir heute, dass die Sonne nicht im Zentrum des Universums steht, aber sie markiert immerhin die Mitte unseres Planetensystems. Dennoch war die heliozentrische Theorie zu ihrer Zeit eine echte Revolution, die entscheidend zur Entwicklung der modernen Astronomie beigetragen hat.

Zwar war Galilei nicht der Erfinder des Teleskops, aber er setzte es als erster für astronomische Beobachtungen ein. Mit seiner verbesserten Version eines Linsenteleskops entdeckte er unter anderem die Phasen der Venus und die vier größten Jupitermonde, die später nach ihm Galileische Monde genannt wurden. Seine Entdeckungen lieferten überzeugende Hinweise auf die Gültigkeit der heliozentrischen Weltsicht.

Einige frühe Kulturen sahen die Erde als ebene Fläche oder als Scheibe an. Die Vorstellung von der Erde als Kugel ist jedoch schon seit Jahrtausenden wichtiger Bestandteil des Weltbildes vieler Völker. Es gibt zahlreiche Beobachtungen, welche die Kugelgestalt der Erde nachweisen (mathematisch lässt sich die Erde als abgeplattetes Rotationsellipsoid beschreiben). Auf der Grundlage dieser Erkenntnis ermittelte Eratosthenes im alten Ägypten (3. Jahrhundert vor unserer Zeitrechnung) mit mathematischen Methoden den Erdumfang aus den gemessenen Schattenlängen von Stäben an Orten verschiedener geografischer Breite.