Primele dovezi ale observațiilor astronomice provin din desene și artefacte create de oameni preistorici, ilustrând ceea ce au văzut pe cer. În culturile antice, astronomia era legată de credințele religioase și mitologice. Fenomenele astronomice au fost folosite pentru a măsura timpul și pentru a crea calendare, permițând unor astfel de civilizații să planifice evenimente zilnice și sezoniere.

Aceste figuri de pe cerul nopții formate prin unirea stelelor folosind linii imaginare se numesc constelații. Cele mai vechi constelații au fost conturate de civilizațiile timpurii. Aceste grupuri de stele observabile au fost adesea asociate cu povești populare și mitologice provenite din culturi precum greacă, mayașă și chineză. În astronomia modernă, constelațiile sunt zone bine definite pe cer, care reunesc atât constelațiile antice, cât și cele definite în secolele XV, XVI și XVII. De asemenea, unele culturi, cum ar fi cele ale indigenilor australieni și indigenilor din America de Sud, au identificat modele, folosind siluetele întunecate din banda luminoasă a Căii Lactee.

De-a lungul secolelor, artiștii, poeții, scriitorii și mulți gânditori creativi au folosit cerul nopții fie ca inspirație și/sau ca subiecte în lucrările lor. Temele astronomice pot fi văzute reprezentate, de exemplu, în tablouri, sculpturi, muzică, filme și literatură. Aceste lucrări au folosit figurile observabile noaptea, pentru a comunica direct sau indirect esența, frumusețea și misterul cerului nopții. Universalitatea artei și legătura ei intimă cu cultura poate fi astfel un motiv puternic de a-i face pe oameni să aprecieze nu numai frumusețea înnăscută a obiectelor și fenomenelor cerești, ci și cunoștințele pe care le-am dobândit despre ele. Acest lucru crește interesul la nivel mondial pentru astronomie și promovează o înțelegere interculturală definită de noțiunea de a fi sub un singur cer.

În multe culturi antice, evoluția astronomiei a contribuit la crește preciziei calendarelor agricole. De exemplu, egiptenii au dezvoltat un calendar bazat pe observațiile lor asupra stelei Sirius, folosindu-l pentru a determina inundația anuală a fluviului Nil.

Multe civilizații au folosit poziția stelelor și a altor obiecte cerești pentru a se deplasa pe uscat, sau pentru a naviga pe mări și oceane. Navigația cerească este predată și în zilele noastre.

Până în vremurile premoderne, distincția dintre astronomie și astrologie era vagă. Astăzi, astronomia și astrologia se disting clar una de cealaltă. Astronomia este o știință și astrologia nu. Astrologia folosește pozițiile obiectelor cerești pentru a prezice evenimente viitoare. Cu toate acestea, studii ample despre astrologie și predicțiile sale arată că astrologia nu este exactă în predicțiile sale și nu are nicio bază științifică.

Majoritatea culturilor timpurii, cu excepții notabile ale unora dintre astronomii greci care au trait în jurul anului 300 î.Hr., credeau că Pământul este centrul Universului. Această viziune geocentrică a durat peste două milenii în culturile europene și asiatice până la așa-numita revoluție copernicană din secolul al XVI-lea. Astronomii moderni au descoperit că Universul pare să nu aibă un centru specific în spațiu.

În secolul al XVI-lea, Copernic a susținut cu argumente teoria heliocentrică în care Soarele era centrul Universului și Pământul se mișca în jurul lui. Deși acum știm că Soarele nu este centrul Universului, acesta este centrul Sistemului Solar și teoria Heliocentrismului Copernican a fost revoluționară la acea vreme, contribuind la dezvoltarea Astronomiei moderne.

Deși nu a inventat telescopul, Galileo a fost primul care l-a folosit în scopuri științifice. Îmbunătățirile sale aduse telescopului refractor l-au condus la descoperiri precum fazele lui Venus și patru dintre cele mai mari sateliți ale lui Jupiter, care sunt încă denumite luni galileene. Descoperirile sale au oferit dovezi convingătoare care susțin viziunea heliocentrică asupra Universului.

Unele culturi timpurii din multe zone ale lumii au descris Pământul ca un plan sau un disc plat, ca parte a descrierii lor despre Univers. Ideea că Pământul este o sferă există de câteva milenii și a reprezentat o parte semnificativă a viziunilor despre lume ale multor culturi, devenind paradigma dominantă în urmă cu mai bine de 1000 de ani. Există numeroase modalități empirice de a testa faptul că Pământul are o formă aproximativ sferică (din punct de vedere tehnic este denumit un sferoid aplatizat/turtit). Una dintre cele mai vechi metode matematice a fost a lui Eratostene, care a măsurat circumferința Pământului analizând lungimile umbrelor proiectate de bastoane în diferite locații din Egiptul antic (secolul al III-lea î.Hr.).