Buổi đầu, thiên văn học chỉ bao gồm việc quan sát và dự đoán các chuyển động của vật thể có thể quan sát được bằng mắt thường. Ở một số địa điểm, như Stonehenge, các nền văn hoá đầu tiên đã lắp dựng những dụng cụ quan sát to lớn có lẽ có một số mục đích thiên văn. Ngoài việc sử dụng trong nghi lễ, các đài quan sát thiên văn có thể được sử dụng để xác định mùa, một yếu tố quan trọng để biết thời điểm canh tác, cũng như biết được độ dài của năm.[9]

Trước khi các dụng cụ như kính thiên văn được chế tạo việc nghiên cứu các ngôi sao phải được tiến hành từ các điểm quan sát thuận lợi có thể có, như các toà nhà cao và những vùng đất cao với mắt thường. Khi các nền văn minh phát triển, đáng chú ý nhất là Mesopotamia, Hy Lạp, Ai Cập, Ba Tư, Maya, Ấn Độ, Trung Quốc, Nubia[10] và thế giới Hồi giáo, các cuộc quan sát thiên văn học đã được tổng hợp, và các ý tưởng về tính chất vũ trụ bắt đầu được khám phá. Hoạt động thiên văn học sớm nhất thực tế gồm vẽ bản đồ các vị trí sao và hành tinh, một ngành khoa học hiện được gọi là thuật đo sao. Từ các quan sát này, những ý tưởng đầu tiên về những chuyển động của các hành tinh được hình thành, và trạng thái của Mặt trời, Mặt Trăng và Trái Đất trong vũ trụ đã được khám phá về mặt triết học. Trái Đất được cho là trung tâm của vũ trụ với Mặt trời, Mặt Trăng và các ngôi sao quay quanh nó. Điều này được gọi là mô hình Địa tâm của vũ trụ.

Một số phát hiện thiên văn học đáng chú ý đã được thực hiện trước khi có kính viễn vọng. Ví dụ sự nghiêng elíp được ước tính từ ngay từ năm 1000 trước Công Nguyên bởi các nhà thiên văn học Trung Quốc. Người Chaldean đã phát hiện ra rằng nguyệt thực tái xuất hiện trong một chu kỳ lặp lại gọi là saros.[11] Ở thế kỷ thứ II trước Công Nguyên, kích thước và khoảng cách của Mặt Trăng được Hipparchus[12] và các nhà thiên văn học Ả Rập sau này ước tính. Thiên hà Andromeda, thiên hà gần nhất với Ngân hà, được nhà thiên văn học người Ba tư Azophi phát hiện năm 964 và lần đầu tiên được miêu tả trong cuốn sách Book of Fixed Stars (Sách về các định tinh) của ông.[13] Sao siêu mới SN 1006, sự kiện sao có độ sáng biểu kiến lớn nhất được ghi lại trong lịch sử, đã được nhà thiên văn học Ai Cập Ả Rập Ali ibn Ridwan và các nhà thiên văn học Trung Quốc quan sát năm 1006.

Thiết bị thiên văn học sớm nhất được biết là cơ cấu Antikythera, một thiết bị của người Hy Lạp cổ đại để tính toán các chuyển động của các hành tinh, có niên đại từ khoảng năm 150-80 trước Công Nguyên, và là tổ tiên sớm nhất của một máy tính tương tự thiên văn. Các thiết bị máy tính tương tự thiên văn giống như vậy sau này đã được các nhà thiên văn học Ả Rập và châu Âu sáng chế.

Trong thời Trung Cổ, việc quan sát thiên văn học hầu như đã bị ngưng trệ ở châu Âu Trung Cổ, ít nhất cho tới thế kỷ XIII. Tuy nhiên, thiên văn học đã phát triển mạnh ở thế giới Hồi giáo và các vùng khác trên thế giới. Một số nhà thiên văn học Ả Rập đáng chú ý từng thực hiện các đóng góp quan trọng cho ngành khoa học gồm Al-Battani, Thebit, Azophi, Albumasar, Biruni, Arzachel, trường Maragha, Qushji, Al-Birjandi, Taqi al-Din, và những người khác. Các nhà thiên văn học trong thời kỳ này đã đưa ra nhiều tên Ả Rập hiện vẫn được sử dụng cho các ngôi sao riêng biệt.[14][15] Mọi người cũng tin rằng các tàn tích tại Đại Zimbabwe và Timbuktu[16] có thể chứa đựng một đài quan sát thiên văn học.[17] Người châu Âu trước kia từng tin rằng không hề có việc quan sát thiên văn học tại vùng Châu Phi hạ Sahara thời Trung Cổ tiền thuộc địa nhưng những phát hiện gần đây cho thấy điều trái ngược.[18][19][20]

Phát triển khoa học

Trong thời Phục hưng, Nicolaus Copernicus đã đề xuất một mô hình Nhật tâm của hệ mặt trời. Công việc của ông được ủng hộ, mở rộng và sửa chữa bởi Galileo Galilei và Johannes Kepler. Khám phá kính viễn vọng của Galileo đã giúp đỡ rất nhiều cho những quan sát của ông.

Kepler là người đầu tiên sáng tạo một hệ thống miêu tả chính xác các chi tiết chuyển động của các hành tinh với Mặt trời ở trung tâm. Tuy nhiên, Kepler không thành công trong việc lập ra một lý thuyết cho những định luật đã được ông viết ra. Phải tới khi Newton khám phá ra chuyển động thiên thể và luật hấp dẫn các chuyển động của hành tinh cuối cùng mới được giải thích. Newton cũng đã phát triển kính viễn vọng phản xạ.

Các khám phá thêm nữa đi liền với những cải thiện trong kích thước và chất lượng kính thiên văn. Các catalogue sao chi tiết hơn được Lacaille lập ra. Nhà thiên văn học William Herschel đã thực hiện một cataloge chi tiết về các cụm sao và tinh vân, và vào năm 1781 phát hiện ra hành tinh Sao Thiên Vương, hành tinh mới đầu tiên được tìm thấy. Khoảng cách tới một ngôi sao lần đầu tiên được thông báo năm 1838 khi thị sai của 61 Cygni được Friedrich Bessel đo đạc.

Trong thế kỷ mười chín, sự quan tâm tới vấn đề ba vật thể của Euler, Clairaut, và D'Alembert đã dẫn tới những dự đoán chính xác hơn về chuyển động của Mặt Trăng và các hành tinh. Công việc này được Lagrange và Laplace chỉnh sửa thêm nữa, cho phép tính toán cả trọng lượng của các hành tinh và vệ tinh trong các nhiễu loạn của chúng.

Những tiến bộ quan trọng trong thiên văn học đến cùng sự xuất hiện của kỹ thuật mới, gồm quang phổ và chụp ảnh. Fraunhofer đã phát hiện khoảng 600 băng trong quang phổ Mặt trời năm 1814-15, mà, vào năm 1859, Kirchhoff quy cho sự hiện diện của những nguyên tố khác nhau. Các ngôi sao được chứng minh tương tự như Mặt trời của Trái Đất, nhưng ở dải nhiệt độ, khối lượng và kích thước khác biệt.[14]

Sự tồn tại của thiên hà của Trái Đất, Ngân hà, như một nhóm sao riêng biệt, chỉ được chứng minh trong thế kỷ XX, cùng với sự tồn tại của những thiên hà "bên ngoài", ngay sau đó, sự mở rộng của vũ trụ, được quan sát thấy trong sự rời xa của hầu hết các thiên hà khỏi chúng ta. Thiên văn học hiện đại cũng đã khám phá nhiều vật thể kỳ lạ như các quasar, pulsar, blazar, và thiên hà radio, và đã sử dụng các quan sát đó để phát triển các lý thuyết vật lý miêu tả một số vật thể đó trong các thuật ngữ của các vật thể cũng kỳ lạ như vậy như các hố đen và sao neutron. Vật lý vũ trụ đã có những phát triển vượt bậc trong thế kỷ XX, với mô hình Big Bang được các bằng chứng thiên văn học và vật lý ủng hộ rộng rãi, như màn bức xạ vi sóng vũ trụ, định luật Hubble, và sự phong phú các nguyên tố vũ trụ.