Astronomi er en av de eldste vitenskaper. Tidlige sivilisasjoners astronomer utførte metodiske observasjoner av nattehimmelen, og kulturgjenstander tilknyttet astronomi fra enda tidligere tider er funnet. Det var imidlertid med oppfinnelsen av teleskopet på begynnelsen av 1600-tallet at faget utviklet seg til en moderne vitenskap. Historisk sett har astronomi innbefattet disipliner så forskjellige som astrometri, stjernenavigasjon, observasjonell astronomi, utvikling av kalendre, og også astrologi, men profesjonell astronomi betraktes ofte nå for tiden å være omtrent synonymt med astrofysikk.
Siden det 20. århundre har faget astronomi blitt splittet til observasjonelle og teoretiske grener. Observasjonell astronomi fokuserer på innhenting og analysering av data, hovedsakelig ved hjelp av elementære fysiske prinsipper, mens teoretisk astronomi forsøker å kaste lys over astronomiske objekter og fenomener ved hjelp av datamodeller og analytiske modeller. De to retningene kompletterer hverandre, da teoretisk astronomi forsøker å forklare observasjonelle resultater, observasjonell astronomi blir brukt for å bekrefte teoretiske resultater.
Store bjørn, i Norge mer kjent som Karlsvognen, har vært en del av seremonier og tilbedelse av utallige sivilisasjoner.
Stjerneforskningens historie omhandler vår forståelse og kunnskap om stjernene gjennom historien. Mennesker har sett stjernene siden sivilisasjonens morgen, sannsynligvis enda lenger. Jakten på kunnskap har alltid motivert studiet av himmelske fenomener, både for religiøse og seremonielle formål samt for navigasjon. Historisk sett har astrologi og astronomi vært samme sak, kunnskap om stjernene var på mange måter et instrument for makt og et forsøk på å forutsi fremtidige hendelser. Det var ikke før den vitenskapelige metoden ble populær at de to fagfeltene ble delt.
Mennesket har siden begynnelsen av historien forsøkt å finne svar på jordiske saker ved å studere fenomener på himmelen. Med hjelp av den menneskelige fantasien ble ideen stjernebilder født, og de ble ofte flettet sammen med den lokale religionen. Bruken av asterismer, det vil si mønstre av stjerner, har blitt sporet tilbake til sent i steinalderen, for eksempel Storebjørn som kan finnes i mange gamle kulturer over hele den nordlige halvkule. Studier tyder på at mennesker allerede for 16 000 år siden hadde utviklet et system på 25 stjernebilder. I løpet av yngre yngre steinalderen kunne asterismen også symbolisere ulike ikke-antropomorfe ting, som for eksempel bilder relatert til jordbruk eller husdyrhold.
Cheomseongdae er et astronomiskobservatorium i Gyeongju i Sør-Korea. Cheomseongdae betyr tårnet for stjerneobservasjoner på koreansk. Cheomseongdae er et av Øst-Asias eldste fremdeles eksisterende observatorier i sitt slag og en av de eldste vitenskapelige installasjonene i verden. Den daterer seg tilbake til 7. århundre og til kongedømmet Silla og dets hovedstad som lå i Gyeongju. Cheomseongdae ble klassifisert som landets nasjonalskatt nr. 31 den 20. desember 1962. Ifølge Samguk Yusa ble Cheomseongdae konstruert under Dronning Seondeok (632-647) nær kongedømmets hovedstad. Tårnet består av 362 biter av granitt som noen mener skal representere månekalenderens 362 dager. Noen undersøkelser av tårnet har konkludert med at det finnes 366 steinerblokker.
Eratosthenes var en greskgeograf, matematiker og astronom. Han var også bibliotekar ved biblioteket i Alexandria. Eratosthenes er mest kjent for sine beregninger av jordas omkrets. I et handskrift kom han over en opplysning om at i Syene (nå Aswan) sto sola slik på himmelen ved sommersolverv at en stolpe ikke kastet skygge, og sollyset ble reflektert av vatnet i dype brønner. I Alexandria var det skygge midtsommers, og han trakk dermed den konklusjonen at jorda måtte være rund, som Pythagoras hadde antatt 300 år tidligere.
