天文觀測的第一筆記錄來自史前人們創作的圖畫和人工製品，那裡記錄著他們在空中看到的東西。在古代文化中，天文學與宗教和神話信仰有關。人們利用天文學現象測量時間並建立日曆，從而計劃日常和季節性的活動。

星座是夜空中的星星通過假想線連接而成的圖案。最早的星座是由早期文化定義的。這些可識別的恆星群通常與希臘、瑪雅、美洲原住民和中國等文明的文化故事和神話聯繫在一起。在現代天文學中，星座是天空中定義明確的區域，將古老的星座以及15、16、17和18世紀定義的星座結合在一起。一些例如澳大利亞土著和南美土著的文化，也使用銀河光帶中的陰影來識別圖案。

幾個世紀以來，藝術家，詩人，作家和許多富有創造力的思想家都將夜空用作創作的靈感和/或主題。例如，我們可以在繪畫，雕塑，音樂，電影和文學中看到天文學的身影。這些作品通過夜晚觀察到的圖案直接或間接地傳達了夜空的本質、美麗和神秘。藝術的普遍性及其與文化的緊密聯繫可以讓人們不僅欣賞到天體和天文現象本身之美，還能欣賞到我們已經獲得的關於它們的知識。這在世界範圍內提高了人們對天文學的興趣，並促進了同一片天空下的跨文化理解。

在許多古代文化中，天文學是為了提高耕作時間的準確性而發展的。例如，埃及人根據對天狼星的觀測制定了日曆，以確定尼羅河每年洪水的時間。

許多文明利用星星和其他天體的位置在陸地和海洋上導航。天體導航至今仍在被使用。

在近現代之前，天文學和占星術之間的區別還很模糊。如今，天文學和占星術已截然不同。天文學是一門科學，而占星術不是。占星術使用天體的位置來預測未來的事件。然而，對占星術的廣泛研究表明，占星術的預測並不准確，且沒有任何科學依據。

除了活躍於公元前300年的一些希臘天文學家，大多數早期文化都認為地球是宇宙的中心。這種地心說在歐洲和亞洲文化中持續了兩千多年，才在十六世紀所謂的哥白尼革命時被推翻。現代天文學家發現，宇宙似乎沒有特定的空間中心。

在16世紀，哥白尼提出了日心說。在這種觀點中，太陽是宇宙的中心，而地球圍繞著它運動。儘管我們現在知道太陽不是宇宙的中心，而僅是太陽系的中心，但是哥白尼日心說在當時是革命性的，為現代天文學的發展做出了貢獻。

儘管伽利略沒有發明望遠鏡，但他是第一個將其用於科學研究的人。他對折射望遠鏡的改進使他發現了金星位相、木星的四個最大的衛星等，這些衛星仍被稱為伽利略衛星。他的發現提供了令人信服的證據，支持了宇宙的日心說。

世界許多地區的早期文化在描述宇宙時，將地球形容成平面狀或盤狀。而“地球是一個球體”的這種想法也已經存在了數千年，成為了許多文化的世界觀的重要組成部分，並在1000多年前就成為主流思想。有許多經驗方法可以驗證地球大致為球形（事實上為扁球形）。最早的數學方法之一是埃拉托色尼Eratosthenes提出的（公元前3世紀），他通過分析古埃及不同地點的木棍投射的陰影長度來測量地球的周長。