천문학은 가장 오래된 과학으로 천체의 움직임에 대한 기록은 원시시대에 까지 거슬러 올라간다. 가장 오래된 천문학적 기록은 약 3만년 전 달의 위상을 나타내는 뼈조각이고, 가장 오래된 천문학적 유물은 영국 런던의 교외에 있는 거석구조물이다. 이 구조물은 지평선에서 해와 달이 뜨고 지는 방향에 맞추어 세워졌다. 천문학은 중동, 중국, 인도, 미 대륙 등에서 독자적으로 발전되었다. 고대 문화에서는 천체와 종교가 밀접한 관계를 가지고 있었다. 예를 들어 바빌로니아에서는 천문학이 점성술의 목적에서 발달하였다. 따라서 고대 문화에서 천문학과 점성술을 구분한다는 것은 의미가 없다.

기하학과 삼각법의 기초를 심은 피타고라스는 지구가 둥글고 모든 천체는 원궤도를 그린다고 주장하였다. 플라톤은 관측이 우주의 불완전한 일부만을 보여 주므로 우주의 신비는 관측보다는 이성으로 풀어야 한다고 주장하였는데 이런 가르침은 그 후 거의 2천년 후인 르네상스 시대까지 대부분의 서구 사회를 지배하는 사상으로 남게 된다. 아리스토텔레스는 처음으로 물리법칙을 채택하고 우주가 현재와 같은 모습을 보이는 것도 이 법칙에 따르기 때문이라고 하였으며, 원운동이 유일하게 자연스러운 운동이고 지구가 우주의 중심이라고 주장하였다. 아리스타르쿠스(Aristarchus) 는 우주의 중심이 지구가 아니라 태양이라고 주장한 최초의 학자로 이것은 코페르니쿠스의 태양중심설보다 무려 1700여 년 앞선 일이었다.

에라토스테네스 (Eratosthenes)는 아주 간단한 기하학적 방법으로 지구의 크기를 정확하게 결정하였고 기원전 2세기 경에 톨레미 (Ptolemy)는 히파르쿠스 (Hipparchus)에 의하여 다듬어진 행성이 움직이는 작은 원인 주전원 이론을 개선하여 역행운동을 설명하여 지구 중심설을 확립하였다. 이 후 천문학은 별다른 발전이 없다가 15세기에 들어오면서 코페르니쿠스 (Kopernik)가 태양 중심설을 제창하였고, 케플러 (Kepler)는 티코 브라헤(Tycho Brahe)의 화성관측 데이터를 분석하여 세가지 법칙을 만들어 현재 케플러의 법칙으로 알려져 있다. 한편 갈릴레오 (Galileo)는 망원경으로 달과 행성을 관측하였는데, 특히 금성의 위상을 관측하여 코페르니쿠스의 태양 중심설이 옳다는 것을 알아냈다. 뉴튼은 역학을 과학으로 확립시키고 이를 달과 행성의 운동에 적용하고 중력의 법칙을 유도하였다.