中国天文学的研究开始得很早。《尚书·尧典》上有“三百有六旬有六日，以闰月定四时，成岁”的话，证明在春秋战国时期以前（《尧典》大约是战国时人所作），我国人已经知道太阳历的一年，即三百六十六日弱，而对于依朔望计算日期之太阴历，采用闰月的补充，使其符合季节的变化。
我国古时决定季节的变化，是用夜间观察星辰的方法，所认为标准的星辰，有“参”、“大火”、“北斗”等。到周初以至春秋中期，则采用“二十八宿法”。这个方法，是将黄赤道附近一周天，按照月球的运动行程，以显著的星象为目标，区分成二十八个不等部分，称为二十八宿，然后由观测新月以后月的位置之变化，依照它的比例，从新月的位置倒数二日行程，而决定这个二十八宿的回溯点，为日月合朔时之月的位置，亦即太阳的位置。从这样认出的太阳的位置而知道一年间的季节，比较以前的观察是精确多了。在春秋中期又采用了“周髀”（髀者股也，直角三角形底边为股）的日影观测法。这就是直立一棒而观察日午时的影长，而以最长、最短的距离为日至（冬至与夏至）。由这种观测而决定的节气，比以前的方法更精确。并且根据它而以冬至为一年之始，采用了冬至为正月的历法。到春秋后期，十九年七闰法成立，历法的时代正式开始。
战国时代，计算闰月，又采取了七十六年法。战国中期，开始用岁星纪年。五星运行的观测，恒星天的测定，星经的编纂，五行学说的倡导，都在战国时代。
前汉末年，天文家有“盖天”、“浑天”的理论争执。盖天说者认为天在上，地在下；浑天说者认为天包于外，地居于中。前汉扬雄主张浑天说，后汉王充是一个盖天说者，而张衡是浑天说者。张衡曾创制浑天仪，又创地动仪以测地震。
唐宋时代曾出现过几次新的历法，但天文学没有可注意的发展。直到元朝郭守敬的《授时历》，测验才有些进步，据说是受了阿拉伯的影响。明万历至清康熙之间，欧洲教士利玛窦、熊三拔、汤若望、南怀仁等输入欧洲天文学（仍是地球中心说），才引起我国天文学的大进步，明天启、崇祯间，于是有徐光启所主持的大统历改革，清康熙帝因之撰《律历渊源》，梅文鼎又著《历算全书》。