ดาราศาสตร์นับเป็นวิชาที่เก่าแก่ที่สุดวิชาหนึ่ง เพราะนับแต่มีมนุษย์อยู่บนโลก เขาย่อมได้เห็นได้สัมผัสกับสิ่งแวดล้อมตามธรรมชาติเสมอมา แล้วก็เริ่มสังเกตจดจำและเล่าต่อๆ กัน เช่น เมื่อมองออกไปรอบตัวเห็นพื้นดินราบ ดูออกไปไกลๆ ก็ยังเห็นว่าพื้นผิวของโลกแบน จึงคิดกันว่าโลกแบน มองฟ้าเห็นโค้งคล้ายฝาชีหรือโดม มีดาวให้เห็นเคลื่อนข้ามศีรษะไปทุกคืน กลางวันมีลูกกลมแสงจ้า ให้แสง สี ความร้อน ซึ่งก็คือ ดวงอาทิตย์ ที่เคลื่อนขึ้นมาแล้วก็ลับขอบฟ้าไป ดวงอาทิตย์จึงมีความสำคัญกับเขามา

การศึกษาดาราศาสตร์ในยุคแรกๆ เป็นการเฝ้าดูและคาดเดาการเคลื่อนที่ของวัตถุท้องฟ้าเหล่านั้นที่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ก่อนยุคสมัยที่กล้องโทรทรรศน์จะถูกประดิษฐ์ขึ้น มีสิ่งปลูกสร้างโบราณหลายแห่งที่เชื่อว่าเป็นสถานที่สำหรับการเฝ้าศึกษาทางดาราศาสตร์ เช่น สโตนเฮนจ์ นอกจากนี้การเฝ้าศึกษาดวงดาวยังมีความสำคัญต่อพิธีกรรม ความเชื่อ และเป็นการบ่งบอกถึงการเปลี่ยนฤดูกาล ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญต่อสังคมเกษตรกรรมการเพาะปลูก รวมถึงเป็นเครื่องบ่งชี้ถึงระยะเวลา วัน เดือน ปี

เมื่อสังคมมีวิวัฒนาการขึ้นในดินแดนต่างๆ เช่น เมโสโปเตเมีย กรีก อียิปต์ เปอร์เซีย มายา อินเดีย จีน และอาหรับ การสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ก็ซับซ้อนมากขึ้น เริ่มมีแนวคิดเกี่ยวกับความสัมพันธ์ของธรรมชาติแห่งจักรวาลกว้างขวางขึ้น ผลการศึกษาดาราศาสตร์ในยุคแรกๆ จะเป็นการบันทึกแผนที่ตำแหน่งของดวงดาวต่างๆ อันเป็นศาสตร์ที่ปัจจุบันเรียกกันว่า การวัดตำแหน่งดาว (astrometry) ผลจากการเฝ้าสังเกตการณ์ทำให้แนวคิดเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของดวงดาวต่างๆ เริ่มก่อตัวเป็นรูปร่างขึ้น ธรรมชาติการเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และโลก นำไปสู่แนวคิดเชิงปรัชญาเพื่อพยายามอธิบายปรากฏการณ์เหล่านั้น ความเชื่อดั้งเดิมคือโลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล โดยมีดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดวงดาวต่างๆ เคลื่อนที่ไปโดยรอบ แนวคิดนี้เรียกว่า แบบจำลองแบบโลกเป็นศูนย์กลางจักรวาล (geocentric model) มีการค้นพบทางดาราศาสตร์ที่สำคัญไม่มากนักก่อนการประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์ ตัวอย่างการค้นพบเช่น ชาวจีนสามารถประเมินความเอียงของแกนโลกได้ประมาณหนึ่งพันปีก่อนคริสตกาล ชาวบาบิโลนค้นพบว่าปรากฏการณ์จันทรคราสจะเกิดขึ้นซ้ำเป็นช่วงเวลา เรียกว่า วงรอบซารอส และช่วงสองร้อยปีก่อนคริสตกาล ฮิปปาร์คัส นักดาราศาสตร์ชาวกรีก สามารถคำนวณขนาดและระยะห่างของดวงจันทร์ได้

ตลอดช่วงยุคกลาง การค้นพบทางดาราศาสตร์ในยุโรปกลางมีน้อยมากจนกระทั่งถึงคริสต์ศตวรรษที่ 13 แต่มีการค้นพบใหม่ๆ มากมายในโลกอาหรับและภูมิภาคอื่นของโลก มีนักดาราศาสตร์ชาวอาหรับหลายคนที่มีชื่อเสียงและสร้างผลงานสำคัญแก่วิทยาการด้านนี้ เช่น Al-Battani และ Thebit รวมถึงคนอื่นๆ ที่ค้นพบและตั้งชื่อให้แก่ดวงดาวด้วยภาษาอารบิก ชื่อดวงดาวเหล่านี้ยังคงมีที่ใช้อยู่จนถึงปัจจุบัน