Dějiny astronomie zahrnují tři široce vymezené oblasti, které charakterizují vědu o obloze od jejích počátků. S různou mírou důrazu u jednotlivých civilizací a v jednotlivých historických obdobích se astronomové snažili pochopit pohyby nebeských těles, určit jejich fyzikální vlastnosti a studovat velikost a strukturu vesmíru. Posledně jmenované studium je známé jako kosmologie.
Pohyb Slunce, Měsíce a planet
Od úsvitu civilizace až do Koperníkovy doby dominovalo astronomii studium pohybů nebeských těles. Tato práce byla nezbytná pro astrologii, určování kalendáře a předpovídání zatmění a byla také živena snahou uvést nepravidelnosti do pořádku a předpovídat polohy nebeských těles se stále větší přesností. Spojení mezi kalendářem a pohyby nebeských těles je obzvláště důležité, protože znamenalo, že astronomie byla nezbytná pro určení časů pro nejzákladnější funkce raných společností, včetně sázení a sklizně plodin a slavení náboženských svátků.
Nebeské jevy, které pozorovali starověcí lidé, byly stejné jako ty dnešní. Slunce během dne postupovalo neustále směrem na západ a hvězdy a pět viditelných planet činily totéž v noci. Při západu Slunce bylo možné pozorovat, že se Slunce na pozadí hvězd denně posunulo asi o jeden stupeň na východ, až během roku zcela překonalo 360° dráhu souhvězdí, která se začala nazývat zvěrokruh. Planety se většinou také pohybovaly podél zvěrokruhu směrem na východ, v rozmezí 8° od zdánlivé roční dráhy Slunce (ekliptiky), ale někdy se na obloze záhadně otáčely, než se vrátily ke svému normálnímu pohybu směrem na východ. Pro srovnání, Měsíc se po ekliptice pohyboval přibližně 27 1/3 dne a prošel několika fázemi. Nejstarší civilizace si neuvědomovaly, že tyto jevy jsou zčásti výsledkem pohybu samotné Země; chtěly pouze předvídat zdánlivé pohyby nebeských těles.
Ačkoli Egypťané museli být s těmito obecnými jevy obeznámeni, jejich systematické studium nebeských pohybů se omezovalo na souvislost zaplavení Nilu s prvním viditelným východem hvězdy Sírius. Raný pokus o vytvoření kalendáře založeného na fázích Měsíce byl opuštěn jako příliš složitý a v důsledku toho hrála astronomie v egyptské civilizaci menší roli, než by jinak mohla. Podobně ani Číňané se systematicky nepokoušeli určovat nebeské pohyby. Překvapivým důkazem výraznějšího zájmu o astronomii jsou starověké kamenné řady a kamenné kruhy, které se nacházejí po celé Evropě a Velké Británii, z nichž nejvýznamnější je Stonehenge v Anglii. Již 3000 let př. n. l. fungoval soubor masivních kamenů ve Stonehenge jako starověká observatoř, kde kněží každé ráno sledovali roční pohyb Slunce po obzoru, aby určili začátek ročních období. Kolem roku 2500 př. n. l. mohlo být Stonehenge využíváno k předpovídání zatmění Měsíce. Teprve po roce 1000 n. l. se podobnou činností zabývaly kultury Nového světa.
Babylonské tabulky. Astronomie dosáhla svých prvních velkých výšin u Babyloňanů. V období přibližně 1800-400 př. n. l. Babylóňané vyvinuli kalendář založený na pohybu Slunce a fázích Měsíce. Během následujících 400 let zaměřili svou pozornost na předpovídání přesného času, kdy se poprvé zviditelní nový srpek Měsíce, a podle této události určovali začátek měsíce. Klínopisné tabulky rozluštěné teprve v minulém století dokazují, že Babylóňané tento problém vyřešili s přesností na několik minut času; toho dosáhli sestavením přesných pozorovacích tabulek, které odhalily menší odchylky rychlosti Slunce a Měsíce, než jaké byly kdy předtím naměřeny. Tyto odchylky – a další, například změny zeměpisné šířky Měsíce – byly analyzovány numericky na základě zjištění, jak tyto odchylky pravidelně kolísají v čase. Stejnou numerickou metodu s využitím stejných variací použili k předpovědi zatmění Měsíce a Slunce.
Řecké sféry a kružnice. Řekové používali k pochopení stejných nebeských pohybů spíše geometrický než numerický přístup. Pod vlivem Platónova metafyzického pojetí dokonalosti kruhového pohybu se Řekové snažili znázornit pohyb božských nebeských těles pomocí sfér a kružnic. Tuto výkladovou metodu narušil až Kepler, který v roce 1609 nahradil kružnici elipsou.
Platónův žák Eudoxos z Knidu, asi 408-c.355 př. n. l., jako první nabídl řešení v tomto duchu. Předpokládal, že každá planeta je připojena k jedné ze skupiny propojených soustředných sfér se středem na Zemi a že každá planeta se otáčí kolem různě orientovaných os, což vyvolává pozorovaný pohyb. Tímto schématem krystalických sfér nedokázal vysvětlit kolísání jasnosti planet; toto schéma však bylo ve 4. století př. n. l. začleněno do Aristotelovy kosmologie. Helénská civilizace, která vyvrcholila Aristotelem, se tedy pokusila popsat fyzikální kosmologii. Naproti tomu helénistická civilizace, která následovala po výbojích Alexandra Velikého, vyvinula během následujících čtyř století brzy převládající matematické mechanismy k vysvětlení nebeských jevů. Základem tohoto přístupu byly různé kružnice známé jako excentry, deferenty a epicykly. Helénistický matematik Apollonius z Pergy (asi 262-190 př. n. l.) si všiml, že roční pohyb Slunce lze aproximovat kružnicí se Zemí mírně vychýlenou ze středu neboli excentrem, čímž lze vysvětlit pozorované změny rychlosti v průběhu roku. Podobně Měsíc sleduje excentrickou kružnici v periodě 27 1/3 dne. Periodický zpětný neboli retrográdní pohyb planet po obloze vyžadoval nové teoretické zařízení. Předpokládalo se, že každá planeta se pohybuje rovnoměrnou rychlostí po malém kruhu (epicyklu), který se pohybuje po větším kruhu (deferentu) s rovnoměrnou rychlostí odpovídající každé konkrétní planetě. Hipparchos, asi 190-120 př. n. l., nejvýznamnější astronom starověku, na základě pozorování z Nikáje a ostrova Rhodos zpřesnil teorii Slunce a Měsíce a dal sluneční teorii v podstatě její konečnou podobu. Na Ptolemaiovi (asi 100-165) zůstalo, aby shrnul všechny poznatky řecké astronomie do Almagestu a vypracoval konečnou verzi lunární a planetární teorie.
S Ptolemaiem dosáhla nesmírná síla a univerzálnost těchto kombinací kruhů jako vysvětlujících mechanismů nových výšin. V případě Měsíce Ptolemaios vysvětlil nejen hlavní nepravidelnost, tzv. rovnici středu, která umožňovala předpovídat zatmění. Objevil a opravil také další nepravidelnost, evekci, v jiných bodech dráhy Měsíce pomocí epicyklu na pohyblivém excentrickém deferentu, jehož střed se otáčel kolem Země. Když Ptolemaios provedl další zpřesnění známé jako prosneusis, dokázal předpovědět místo Měsíce na obloze s přesností na 10 minut neboli 1/6° oblouku; tyto předpovědi byly v dobré shodě s přesností pozorování provedených pomocí tehdy používaných přístrojů. Podobně Ptolemaios popsal pohyb jednotlivých planet v Almagestu, který s několika pozoruhodnými rozpracováními prošel islámskou civilizací a dále do renesanční evropské civilizace, která vychovala Mikuláše Koperníka.
Převrat spojený s Koperníkovým jménem nebyl převratem v technické astronomii vysvětlování pohybů, ale patří spíše do oblasti kosmologie. Podněcován zejména intenzivním odporem k jedné z Ptolemaiových vysvětlovacích pomůcek, známé jako ekvant, která ohrožovala princip rovnoměrných kruhových pohybů, umístil Koperník do středu vesmíru nikoliv Zemi, ale Slunce; tento názor předložil ve svém díle De revolutionibus orbium caelestium (O revolucích nebeských sfér, 1543). V tomto díle však pouze přizpůsobil řecký systém epicyklů a excentrů novému uspořádání. Výsledkem bylo počáteční zjednodušení a harmonie, neboť denní a roční pohyby Země nabyly svého skutečného významu, ale nedošlo k celkovému zjednodušení počtu epicyklů, které bylo nutné k dosažení stejné přesnosti předpovědi jako u Ptolemaia. Nebylo tedy vůbec jasné, zda tento nový kosmologický systém obsahuje klíč k pravému matematickému systému, který by mohl přesně vysvětlit pohyby planet.
Keplerovské elipsy a Newtonova gravitace. Německý astronom Johannes Kepler předložil odvážné řešení problému pohybů planet a prokázal platnost Koperníkovy heliocentrické teorie, přičemž Slunce přímo spojil s fyzikální příčinou pohybů planet. Problémem pro Keplera byl pouhý rozdíl 8 stop mezi teorií a pozorováním polohy planety Mars. Tento stupeň přesnosti by potěšil Ptolemaia nebo Koperníka, ale byl nepřijatelný ve světle pozorování dánského astronoma Tychona Brahe, která byla provedena z hvězdárny v Uraniborgu pomocí různých nově zkonstruovaných sextantů a kvadrantů a byla přesná na 1 až 4 stopy. Toto nové měřítko přesnosti způsobilo převrat v astronomii, protože Kepler ve svém díle Astronomia nova (Nová astronomie, 1609) oznámil, že Mars a ostatní planety se musí pohybovat po eliptických drahách, které jsou snadno předvídatelné podle zákonů o pohybu planet, jež vyložil v tomto díle a v Harmonices mundi (Harmonie světa, 1619). Pouze opuštěním kružnice bylo možné zredukovat oblohu na řád srovnatelný s nejpřesnějšími pozorováními.
Keplerovy zákony a koperníkovská teorie dosáhly svého konečného ověření vyslovením zákonů všeobecné gravitace sirem Isaacem Newtonem v díle Principia (1687). V těchto zákonech bylo Slunce označeno za fyzikální příčinu pohybu planet. Tyto zákony sloužily také jako teoretický základ pro odvození Keplerových zákonů. V průběhu 18. století si důsledky gravitační astronomie uvědomovali a analyzovali schopní matematici, zejména Jean d‘ Alembert, Alexis Clairaut, Leonhard Euler, Joseph Lagrange a Pierre Laplace. Zrodila se věda o nebeské mechanice a cíl přesné předpovědi byl konečně uskutečněn.
Po celou dobu této diskuse byly hvězdy považovány za pevné. Již Hipparchus však při práci na svém katalogu 850 hvězd rozpoznal jev známý jako precese rovnodennosti, zdánlivě nepatrnou změnu polohy hvězd v průběhu stovek let způsobenou kolísáním pohybu Země. V 18. století Edmond Halley zjistil, že hvězdy mají svůj vlastní pohyb, známý jako vlastní pohyb, který je zjistitelný i v období několika let. Pozorování poloh hvězd, provedená pomocí tranzitních přístrojů díky monumentální práci takových vědců, jako byl John Flamsteed, položila základy pro řešení kosmologického problému jiné éry: rozložení hvězd a struktury vesmíru.