古代的天文學家透過觀測太陽、月球和其他一些天體及天象，確定了時間、方向和曆法。這也是天體測量學的開端。

如果從人類觀測天體，記錄天象算起，天文學的歷史至少已經有5、6千年了。天文學在人類早期的文明史中，佔有非常重要的地位。埃及的金字塔、歐洲的巨石陣都是很著名的史前天文遺址。 天文學的研究範疇和天文的概念從古至今不斷髮展。在古代，人們只能用肉眼觀測天體。

2世紀時，古希臘天文學家托勒密提出的地心說統治了西方對宇宙的認識長達1000多年。直到16世紀，波蘭天文學家哥白尼才提出了新的宇宙體系的理論——日心說。到了1610年，義大利天文學家伽利略獨立製造折射望遠鏡，首次以望遠鏡看到了太陽黑子、月球表面和一些行星的表面和盈虧。

在同時代，牛頓創立牛頓力學使天文學出現了一個新的分支學科天體力學。天體力學誕生使天文學從單純描述天體的幾何關係和運動狀況進入到研究天體之間的相互作用和造成天體運動的原因的新階段，在天文學的發展歷史上，是一次巨大的飛躍。

19世紀中葉天體攝影和分光技術的發明，使天文學家可以進一步深入地研究天體的物理性質、化學組成、運動狀態和演化規律，從而更加深入到問題本質，從而也產生了一門新的分支學科天體物理學。這又是天文學的一次重大飛躍。 20世紀50年代，射電望遠鏡開始應用。到了20世紀60年代，取得了稱為“天文學四大發現”的成就：微波背景輻射、脈衝星、類星體和星際有機分子。

而與此同時，人類也突破了地球束縛，可到天空中觀測天體。除可見光外，天體的紫外線、紅外線、無線電波、X射線、γ射線等都能觀測到了。這些使得空間天文學得到巨大發展，也對現代天文學成就產生很大影響。