Los primeros registros de observaciones astronómicas provienen de dibujos y artefactos creados por los pueblos prehistóricos, que documentan lo que veían en el cielo. En las culturas antiguas, la astronomía estaba relacionada con creencias religiosas y mitológicas. Los fenómenos astronómicos se usaban para medir el tiempo y crear calendarios, lo que permitió a estas culturas planificar eventos diarios y estacionales.
Los patrones en el cielo nocturno formados por la conexión de estrellas usando líneas imaginarias se llaman constelaciones. Las primeras constelaciones fueron definidas por culturas antiguas. Estos grupos reconocibles de estrellas a menudo estaban conectados a historias culturales y mitológicas de culturas como la Griega, la Maya, la Nativa Americana y la China. En la astronomía moderna, las constelaciones son regiones bien definidas del cielo, que combinan tanto las constelaciones antiguas como las definidas en los siglos XV, XVI, XVII y XVIII. Algunas culturas, como los Indígenas Australianos y los pueblos indígenas de Sudamérica, también identificaron patrones usando las siluetas oscuras de la banda luminosa de la Vía Láctea.
A lo largo de los siglos, artistas, poetas, escritores y muchos pensadores creativos, han utilizado el cielo nocturno como inspiración y/o como tema en sus obras. Los temas astronómicos se encuentran representados en pinturas, esculturas, música, películas y literatura. Estas obras han utilizado los patrones observables en la noche para comunicar, directa o indirectamente, la esencia, la belleza y el misterio del cielo nocturno. La universalidad del arte y su íntima conexión con la cultura, pueden ser así un poderoso medio para hacer que las personas aprecien no solo la belleza innata de los objetos y fenómenos celestes, sino además el conocimiento que hemos adquirido sobre ellos. Esto aumenta el interés mundial por la astronomía y promueve una comprensión intercultural que abarca la noción de estar bajo un solo cielo.
En muchas culturas antiguas, la astronomía se desarrolló para aumentar la precisión de los calendarios agrícolas. Por ejemplo, los egipcios desarrollaron un calendario basado en sus observaciones de la estrella Sirio, utilizándolo para determinar la inundación anual del río Nilo.
Muchas civilizaciones utilizaron la posición de las estrellas y otros objetos celestes para navegar por la tierra, los mares y los océanos. La navegación astronómica se sigue enseñando hoy en día.
Hasta la época pre-moderna, la distinción entre astronomía y astrología era vaga. Hoy día la astronomía y la astrología se distinguen claramente una de la otra. La astronomía es una ciencia y la astrología no. La astrología utiliza las posiciones de los objetos celestes para predecir eventos futuros. Sin embargo, numerosos estudios sobre la astrología y sus predicciones muestran que la astrología no es precisa en sus predicciones y no tiene ningún fundamento científico
La mayoría de las culturas ancestrales, con notables excepciones de algunos astrónomos griegos activos alrededor del 300 A.C., creían que la Tierra era el centro del Universo. Esta visión geocéntrica duró más de dos milenios en las culturas europeas y asiáticas, hasta la llamada Revolución Copernicana en el siglo XVI. Los astrónomos modernos han descubierto que el Universo parece no tener un centro específico en el espacio.
En el siglo XVI, Copérnico propuso argumentos para la teoría heliocéntrica en la cual el Sol era el centro del Universo y la Tierra se movía a su alrededor. Aunque ahora sabemos que el Sol no es el centro del Universo, sabemos que es el centro del Sistema Solar y la teoría del heliocentrismo copernicano fue revolucionaria en aquel momento, contribuyendo al desarrollo de la astronomía moderna.
Aunque no inventó el telescopio, Galileo fue el primero en utilizarlo con fines científicos. Sus mejoras en el telescopio refractor lo llevaron a descubrimientos como las fases de Venus y las cuatro lunas más grandes de Júpiter, que aún se conocen como lunas galileanas. Sus descubrimientos proporcionaron evidencias convincentes en apoyo a la visión heliocéntrica del Universo.
Como parte de su descripción del Universo, algunas culturas antiguas, en diversas partes del mundo, han descrito la Tierra como un plano o como un disco. Sin embargo, la idea que la Tierra es una esfera ha existido durante varios milenios y ha sido una parte significativa de la visión del mundo de muchas culturas, convirtiéndose en el paradigma dominante hace más de 1.000 años. Hay numerosas formas empíricas de probar que la Tierra tiene una forma aproximadamente esférica (técnicamente conocida como esferoide achatado). Uno de los primeros métodos matemáticos fue el de Eratóstenes, quien midió la circunferencia de la Tierra analizando las longitudes de las sombras proyectadas por estacas en diferentes lugares del antiguo Egipto (siglo III a.C.).
