A astronomia teve origem na perplexidade do homem diante dos fenômenos naturais e em sua necessidade de resolver problemas como a medição do tempo e a navegação. Por isso, durante séculos a observação astronômica sofreu profundas modificações e aperfeiçoamentos. Antes vinculada à astrologia, a astronomia tornou-se uma rigorosa disciplina científica que possibilita conhecer a composição, a estrutura e o deslocamento dos corpos celestes.

É indiscutível que o homem primitivo observava os acontecimentos que se repetiam no céu, como as fases da Lua ou as diversas posições dos planetas e das estrelas mais visíveis. No entanto, os primeiros registros astronômicos sistemáticos apareceram na Mesopotâmia, no contexto das civilizações suméria, acadiana e babilônica. Três mil anos antes da era cristã já se conheciam na Suméria algumas constelações. Séculos mais tarde, os sacerdotes-astrônomos da Babilônia, além de identificar os planetas mais próximos, desenvolveram um sistema preciso de projeções que permitia predizer os movimentos da Lua, e também um calendário baseado nos deslocamentos lunares.

Na Grécia, a partir do século VI a.C., duas escolas de filosofia, a pitagórica e a platônica, apresentaram diferentes concepções do cosmo. Embora distintas, as duas interpretações tinham um princípio comum que sustentava a existência de uma ordem inteligível e racional, capaz de descrever e predizer os acontecimentos celestes por meio da observação e do cálculo. Para Pitágoras, que viveu no século VI a.C., o céu era formado de esferas concêntricas em que os astros se fixavam. De acordo com essa teoria, tais esferas giravam em certa ordem visível a partir da Terra, que constituía o centro do universo.

A escola pitagórica empenhou-se em explicar o universo segundo um modelo matemático, baseado na harmonia dos números. Apesar de se limitar a reunir em sua filosofia observações da época, Platão recomendou a seus discípulos da Academia que considerassem os corpos celestes como objetos obrigados a descrever movimentos circulares, com o que poderiam predizer suas translações. Aristóteles fixou, de maneira definitiva, a concepção do cosmo como uma série de esferas concêntricas que giram ao redor da Terra, cada uma delas mais etérea que a anterior.

Esse sistema não conseguia explicar, por exemplo, as diferenças de brilho entre as estrelas, que se supunha estarem presas a uma mesma esfera, ou as distâncias fixas de Mercúrio e Vênus em relação ao Sol. É necessário, porém, esclarecer que essa interpretação dava aos acontecimentos celestes explicação racional, por meio de um modelo geométrico em que a intervenção divina era fonte e fim do processo, mas não o afetava em seu transcurso. Com base nesse sistema, outro grego, Hiparco, talvez o maior astrônomo da antiguidade, elaborou no século II a.C., um catálogo de 850 astros e sustentou que a Terra não está no centro geométrico do cosmo, mas inteiramente fora dele. Na mesma época, o alexandrino Cláudio Ptolomeu firmou em seu Almagesto o que haveria de ser o dogma da astronomia nos séculos seguintes: a tese de que a Terra permanece imóvel no centro do universo. Acreditou até que podia demonstrá-lo com o argumento de que, se o planeta girasse, os objetos lançados para o alto não voltariam a cair no mesmo lugar. Aprovou também a teoria das esferas celestes e organizou um catálogo astronômico de 1.022 astros.

A civilização romana deu parcas contribuições à ciência astronômica, uma vez que praticamente se limitou a preservar os conhecimentos adquiridos. A obra dos grandes astrônomos antigos foi acumulada em suas bibliotecas e, posteriormente, nas de Constantinopla, de onde passou às mãos dos árabes.