खगोलीय अवलोकनों का पहला अभिलेख प्रागैतिहासिक लोगों द्वारा बनाए गए चित्र और प्राचीन कला कृतियों से आता है, जो उन्होंने आकाश में देखा था| प्राचीन संस्कृतियों में खगोल विज्ञान धार्मिक और पौराणिक आस्थाओं से संबंधित था| खगोलीय घटनाओं का उपयोग समय को मापने और कैलेंडर बनाने के लिए किया गया था, जिससे ऐसी संस्कृतियों दैनिक और मौसम संबन्धी घटनाओं की योजना बना पायी |

काल्पनिक रेखाओं का उपयोग करके तारों को जोड़ने से रात के आकाश में बनने वाली आकृति को नक्षत्र कहा जाता है| आरम्भिक संस्कृतियों द्वारा शुरुआती नक्षत्रों को परिभाषित किया गया था| सितारों को पहचानने योग्य ये समूह अक्सर ग्रीक, माया, मूल अमेरिकी और चीन जैसी संस्कृतियों सांस्कृतिक कहानियों और पौराणिक कथाओं से जुड़े होते थे| आधुनिक खगोल विज्ञान में, नक्षत्र आकाश के अच्छी तरह से परिभाषित क्षेत्र हैं, जो प्राचीन नक्षत्रों और 15 वीं, 16 वीं, 17 वीं और 18 वीं शताब्दी में परिभाषित दोनों को जोड़ते हैं| कुछ संस्कृतियों, जैसे कि स्वदेशी ऑस्ट्रेलियाई और दक्षिण अमेरिका के स्वदेशी लोगों ने भी आकाश गंगा की चमकदार पट्टी में डार्क सिल्हूट्स का उपयोग करके आकृतियों की पहचान की|

सदियों से, कलाकारों, कवियों, लेखकों और कई रचनात्मक विचारकों ने रात के आकाश का उपयोग या तो प्रेरणा और/या अपने काम में विषयों के रूप में किया है| खगोलीय विषयों का प्रतिनिधित्व , उदाहरण के लिए, चित्रों, मूर्तियों, संगीत, फिल्मों और साहित्य में देखा जा सकता है | इन कार्यों ने रात में देखे जाने वाले अवलोकन योग्य रूपांकनों का उपयोग , सीधे या अप्रत्यक्ष रूप से, रात के आकाश के सार, सौंदर्य और रहस्य को संप्रेषित करने के लिए किया है| कला की सार्वभौमिकता और संस्कृति के लिए इसके अंतरंग संबंध, इस प्रकार लोगों को न केवल खगोलीय वस्तुओं और घटनाओं की जन्मजात सुंदरता की सराहना करने के लिए एक शक्तिशाली साधन हो सकता है, बल्कि हमने जो ज्ञान प्राप्त किया है, उसके बारे में भी | यह खगोल विज्ञान में दुनिया भर की रुचि को बढ़ाता है और एक आकाश के नीचे होने की धारणा से घिरी एक अन्तर्सान्स्कृतिक समझ को बढ़ावा देता है|

कई प्राचीन संस्कृतियों में, खेती के कैलेंडर की सटीकता को बढ़ाने के लिए खगोल विज्ञान विकसित किया गया था| एक उदाहरण के रूप में, मिश्र वासियों ने तारे सीरियस की अपने अवलोकनों के आधार पर एक कैलेंडर विकसित किया, जिसका उपयोग नील नदी की वार्षिक बाढ़ की जानकारी करने के लिए किया .

कई सभ्यताओं ने भूमि, समुद्रों और महासागरों में मार्गनिर्देशन करने के लिए सितारों और अन्य खगोलीय पिण्डों की स्थिति का उपयोग किया| खगोलीय मार्गनिर्देशन आज भी सिखाया जाता है|

पूर्व-आधुनिक समय तक, खगोल विज्ञान और ज्योतिष के बीच का अंतर अस्पष्ट था| आज खगोल विज्ञान और ज्योतिष स्पष्ट रूप से एक दूसरे से अलग हैं| खगोल विज्ञान एक विज्ञान है और ज्योतिष नहीं है| ज्योतिष भविष्य की घटनाओं की भविष्यवाणी करने के लिए खगोलीय वस्तुओं की स्थिति का उपयोग करता है| हालांकि, ज्योतिष और इसकी भविष्यवाणियों के व्यापक अध्ययन से पता चलता है कि ज्योतिष अपनी भविष्यवाणियों में सटीक नहीं है और किसी भी वैज्ञानिक आधार के बिना है|

सबसे प्रारंभिक संस्कृतियों , 300 ईसा पूर्व के आसपास सक्रिय ग्रीक खगोलविदों में से कुछ को छोड़कर ,का मानना ​​था कि पृथ्वी ब्रह्मांड का केंद्र थी| यह दो सौ वर्ष लम्बी भू-केन्द्रित दृष्टिकोण यूरोप और एशिया की संस्कृतियों मे तथाकथित सोलहवी सदी की कापर्निकस क्रान्ति तक चला | आधुनिक खगोलविदों ने पाया है कि ब्रह्मांड में अंतरिक्ष में कोई विशिष्ट केंद्र नहीं है|

16 वीं शताब्दी में, कोपर्निकस ने हेलिओसेंट्रिक सिद्धांत के लिए दलीलें प्रस्तावित कीं, जिसमें सूर्य ब्रह्मांड का केंद्र था और पृथ्वी इसके चारों ओर चली गई| यद्यपि अब हम जानते हैं कि सूर्य ब्रह्मांड का केंद्र नहीं है, यह सौर मंडल का केंद्र है और उस समय कोपर्निकन हेलिओसेंट्रिज्म सिद्धांत क्रांतिकारी था, जो आधुनिक खगोल विज्ञान के विकास में योगदान देता था|

हालाँकि उन्होंने दूरबीन का आविष्कार नहीं किया था, लेकिन गैलीलियो वैज्ञानिक उद्देश्यों के लिए इसका उपयोग करने वाले पहले व्यक्ति थे| अपवर्तक दूरबीन के उनके सुधारों ने उन्हें शुक्र के चरणों और बृहस्पति के चार सबसे बड़े चंद्रमाओंजैसी खोजों के लिए प्रेरित किया, जिन्हें आज भी गैलीलियो के चंद्रमाओं के रूप में संदर्भित किया जाता है| उनकी खोजों ने ऐसे दमदार सबूत दिये जो ब्रह्मांड के हेलिओसेंट्रिक दृष्टिकोण का समर्थन करते थे|

दुनिया के कई क्षेत्रों में कुछ शुरुआती संस्कृतियों ने पृथ्वी को ब्रह्मांड के उनके विवरण के हिस्से के रूप में एक सपाट तल या डिस्क के रूप में वर्णित किया है| यह विचार कि पृथ्वी एक गोला है, कुछ सहस्राब्दियों के आसपास रहा है और कई संस्कृतियों के वैश्विक विचारों का एक महत्वपूर्ण हिस्सा रहा है, जो 1000 साल से अधिक समय पहले प्रमुख प्रतिमान बन गया था| यह परीक्षण करने के लिए कई प्रयोग सिद्ध तरीके हैं कि पृथ्वी आकार में लगभग गोलाकार है (इसे तकनीकी रूप से एक चपटे गोलाकार के रूप में संदर्भित किया जाता है)| शुरुआती गणितीय तरीकों में से एक एरातोस्टेनेस द्वारा किया गया था, जिन्होंने प्राचीन मिस्र (तीसरी शताब्दी ईसा पूर्व) में विभिन्न स्थानों पर लाठी द्वारा बनाई गई छाया की लंबाई का विश्लेषण करके पृथ्वी की परिधि को मापा था|