天文观测的第一笔记录来自史前人们创作的图画和人工制品，那里记录着他们在空中看到的东西。在古代文化中，天文学与宗教和神话信仰有关。人们利用天文学现象测量时间并建立日历，从而计划日常和季节性的活动。

星座是夜空中的星星通过假想线连接而成的图案。最早的星座是由早期文化定义的。这些可识别的恒星群通常与希腊、玛雅、美洲原住民和中国等文明的文化故事和神话联系在一起。在现代天文学中，星座是天空中定义明确的区域，将古老的星座以及15、16、17和18世纪定义的星座结合在一起。一些例如澳大利亚土著和南美土著的文化，也使用银河光带中的阴影来识别图案。

几个世纪以来，艺术家，诗人，作家和许多富有创造力的思想家都将夜空用作创作的灵感和/或主题。例如，我们可以在绘画，雕塑，音乐，电影和文学中看到天文学的身影。这些作品通过夜晚观察到的图案直接或间接地传达了夜空的本质、美丽和神秘。艺术的普遍性及其与文化的紧密联系可以让人们不仅欣赏到天体和天文现象本身之美，还能欣赏到我们已经获得的关于它们的知识。这在世界范围内提高了人们对天文学的兴趣，并促进了同一片天空下的跨文化理解。

在许多古代文化中，天文学是为了提高耕作时间的准确性而发展的。例如，埃及人根据对天狼星的观测制定了日历，以确定尼罗河每年洪水的时间。

许多文明利用星星和其他天体的位置在陆地和海洋上导航。天体导航至今仍在被使用。

在近现代之前，天文学和占星术之间的区别还很模糊。如今，天文学和占星术已截然不同。天文学是一门科学，而占星术不是。占星术使用天体的位置来预测未来的事件。然而，对占星术的广泛研究表明，占星术的预测并不准确，且没有任何科学依据。

除了活跃于公元前300年的一些希腊天文学家，大多数早期文化都认为地球是宇宙的中心。这种地心说在欧洲和亚洲文化中持续了两千多年，才在十六世纪所谓的哥白尼革命时被推翻。现代天文学家发现，宇宙似乎没有特定的空间中心。

在16世纪，哥白尼提出了日心说。在这种观点中，太阳是宇宙的中心，而地球围绕着它运动。尽管我们现在知道太阳不是宇宙的中心，而仅是太阳系的中心，但是哥白尼日心说在当时是革命性的，为现代天文学的发展做出了贡献。

尽管伽利略没有发明望远镜，但他是第一个将其用于科学研究的人。他对折射望远镜的改进使他发现了金星位相、木星的四个最大的卫星等，这些卫星仍被称为伽利略卫星。他的发现提供了令人信服的证据，支持了宇宙的日心说。

世界许多地区的早期文化在描述宇宙时，将地球形容成平面状或盘状。而“地球是一个球体”的这种想法也已经存在了数千年，成为了许多文化的世界观的重要组成部分，并在1000多年前就成为主流思想。有许多经验方法可以验证地球大致为球形（事实上为扁球形）。最早的数学方法之一是埃拉托色尼Eratosthenes提出的（公元前3世纪），他通过分析古埃及不同地点的木棍投射的阴影长度来测量地球的周长。