Os primeiros registos de observações astronómicas encontram-se em desenhos e artefatos criados por indivíduos da pré-história, documentando o que observavam no céu. Nas culturas antigas, a astronomia estava relacionada com crenças religiosas e mitológicas. Os fenómenos astronómicos eram usados para medir o tempo e criar calendários, permitindo a essas culturas planear eventos diários e sazonais.

Padrões no céu noturno formados ao unir as estrelas usando linhas imaginárias são chamados constelações. As primeiras constelações foram definidas pelas primeiras culturas. Estes grupos reconhecíveis de estrelas foram muitas vezes associados às histórias e à mitologia de culturas como a grega, a maia, a ameríndia e a chinesa. Na astronomia moderna, as constelações são regiões bem definidas no céu, que combinam tanto as constelações antigas como as definidas nos séculos XV, XVI, XVII e XVIII. Algumas culturas, como a aborígene da Austrália e as populações indígenas da América do Sul, também identificaram padrões nas silhuetas escuras da faixa luminosa da Via Láctea.

Ao longo dos séculos, artistas, poetas, escritores e muitos criativos usaram o céu noturno como inspiração e/ou tema do seu trabalho. A representação de temas astronómicos pode ser observada, por exemplo, em pinturas, esculturas, música, filmes e literatura. Estes trabalhos usaram os motivos observáveis no céu para, direta ou indiretamente, comunicar a essência, beleza e mistério do céu noturno. A universalidade da arte, e a sua ligação íntima com a cultura, podem ser assim meios poderosos para que as pessoas apreciem não apenas a beleza inata de objetos e fenómenos celestes, mas também o conhecimento que adquirimos sobre eles. Isto aumenta o interesse mundial pela astronomia e promove uma compreensão intercultural contida na ideia de estarmos sob o mesmo céu.

Em muitas culturas antigas, a astronomia foi desenvolvida para aumentar a exatidão dos calendários agrícolas. Como exemplo, os egípcios desenvolveram um calendário baseado nas suas observações da estrela Sirius, usando-o para determinar as cheias anuais do rio Nilo.

Muitas civilizações usaram a posição das estrelas e outros objetos celestes para a orientação em terra, nos mares e nos oceanos. A navegação astronómica é ainda ensinada nos dias de hoje.

Até aos tempos pré-modernos, a distinção entre astronomia e astrologia era vaga. Hoje, astronomia e astrologia são claramente distintas. A astronomia é uma ciência, a astrologia não. A astrologia usa as posições dos objetos celestes para prever eventos futuros. Contudo, um grande número de estudos sobre a astrologia e as suas previsões mostram que esta não é exata nas suas previsões e não tem qualquer base científica.

A maioria das culturas antigas, com as exceções notáveis de alguns astrónomos gregos ativos por volta de 300 a. C., acreditava que a Terra era o centro do Universo. Esta visão geocêntrica prevaleceu mais de dois milénios nas culturas europeia e asiática até à chamada revolução copernicana no século XVI. Os astrónomos modernos descobriram que o Universo não parece ter um centro específico no espaço.

No século XVI, Copérnico apresentou argumentos para a teoria heliocêntrica, na qual o Sol era o centro do Universo e a Terra se deslocava à sua volta. Apesar de sabermos agora que o Sol não é o centro do Universo, ele é o centro do Sistema Solar e a teoria do heliocentrismo copernicano foi revolucionária naquele tempo, contribuindo para o desenvolvimento da astronomia moderna.

Apesar de não ter inventado o telescópio, Galileu foi o primeiro a utilizá-lo para fins científicos. Os seus melhoramentos do telescópio refractor levaram-no a descobertas como as fases de Vénus e as quatro maiores luas de Júpiter, ainda hoje referidas como as luas galileanas. As suas descobertas forneceram evidência convincente a favor da visão heliocêntrica do Universo.

Algumas das primeiras culturas em muitas regiões do mundo descreveram a Terra como uma superfície plana ou um disco, como parte da sua descrição do Universo. A ideia de que a Terra é uma esfera está presente há já alguns milénios e tem sido uma parte significativa das visões do mundo de muitas culturas, tendo-se tornado no paradigma dominante há mais de 1000 anos. Há numerosas formas empíricas de testar que a Terra tem uma forma aproximadamente esférica (é tecnicamente referida como um esferoide oblato). Um dos primeiros métodos matemáticos foi o de Eratóstenes, que mediu a circunferência da Terra analisando os comprimentos das sombras de estacas colocadas em diferentes locais no Antigo Egipto (século III a. C.).