Astronomiens historie omfatter tre bredt definerede områder, som har kendetegnet videnskaben om himmelen siden dens begyndelse. Med varierende vægt blandt bestemte civilisationer og i bestemte historiske perioder har astronomer forsøgt at forstå himmellegemernes bevægelser, at bestemme deres fysiske egenskaber og at studere universets størrelse og struktur. Sidstnævnte undersøgelse er kendt som kosmologi.

Bevægelser af sol, måne og planeter
Fra civilisationens begyndelse og frem til Kopernikus’ tid var astronomien domineret af studiet af himmellegemernes bevægelser. Et sådant arbejde var afgørende for astrologien, for fastlæggelsen af kalenderen og for forudsigelsen af formørkelser, og det blev også drevet af ønsket om at reducere uregelmæssigheder til orden og forudsige himmellegemernes positioner med stadig større nøjagtighed. Sammenhængen mellem kalenderen og himmellegemernes bevægelser er særlig vigtig, fordi den betød, at astronomien var afgørende for at bestemme tidspunkterne for de tidlige samfunds mest grundlæggende funktioner, herunder plantning og høst af afgrøder og fejring af religiøse fester.

De himmelfænomener, som oldtidsfolket observerede, var de samme som i dag. Solen bevægede sig støt og roligt mod vest i løbet af en dag, og stjernerne og de fem synlige planeter gjorde det samme om natten. Ved solnedgang kunne man se, at Solen ved solnedgang bevægede sig mod øst ca. en grad om dagen på baggrund af stjernerne, indtil den i løbet af et år havde tilbagelagt den 360° lange bane af stjernebilleder, der blev kendt som dyrekredsen, fuldstændigt. Planeterne bevægede sig generelt også østpå langs dyrekredsen, inden for 8° fra Solens tilsyneladende årlige bane (ekliptika), men til tider foretog de gådefulde omvendinger på himlen, før de genoptog deres normale bevægelse mod øst. Til sammenligning bevægede Månen sig over ekliptika på ca. 27 1/3 dage og gennemgik flere faser. De tidligste civilisationer var ikke klar over, at disse fænomener til dels var et produkt af selve jordens bevægelse; de ønskede blot at forudsige himmellegemernes tilsyneladende bevægelser.

Men selv om egypterne må have været bekendt med disse generelle fænomener, var deres systematiske undersøgelse af himmellegemernes bevægelser begrænset til forbindelsen mellem Nilens oversvømmelse og den første synlige opgang af stjernen Sirius. Et tidligt forsøg på at udvikle en kalender baseret på månens faser blev opgivet som værende for kompliceret, og som følge heraf spillede astronomien en mindre rolle i den egyptiske civilisation, end den ellers kunne have spillet. På samme måde forsøgte kineserne ikke systematisk at bestemme himlens bevægelser. Overraskende beviser på en mere omfattende interesse for astronomi findes i tilstedeværelsen af gamle stenopstillinger og stencirkler, der findes i hele Europa og Storbritannien, hvoraf Stonehenge i England er det mest bemærkelsesværdige. Allerede 3000 f.Kr. fungerede samlingen af massive sten ved Stonehenge som et gammelt observatorium, hvor præsterne hver morgen fulgte solens årlige bevægelse langs horisonten for at kunne bestemme årstidernes begyndelse. Omkring 2500 f.Kr. kan Stonehenge have været brugt til at forudsige måneformørkelser. Først i 1000 e.Kr. blev lignende aktiviteter iværksat af kulturer i den nye verden.

Babyloniske tabeller. Astronomien nåede sine første store højdepunkter blandt babylonierne. I perioden fra ca. 1800 til 400 f.Kr. udviklede babylonierne en kalender baseret på Solens bevægelse og Månens faser. I de 400 år, der fulgte, fokuserede de deres opmærksomhed på at forudsige det præcise tidspunkt, hvor den nye halvmåne først blev synlig, og definerede månedens begyndelse i overensstemmelse med denne begivenhed. Kileformetavler, der først er blevet tydet i det sidste århundrede, viser, at babylonierne løste problemet med en nøjagtighed på få minutters nøjagtighed; dette blev opnået ved at udarbejde præcise observationstabeller, der afslørede mindre variationer i solens og månens hastighed end nogensinde før målt. Disse variationer – og andre som f.eks. ændringer i Månens breddegrad – blev analyseret numerisk ved at notere, hvordan variationerne svingede med tiden på en regelmæssig måde. De brugte den samme numeriske metode og udnyttede de samme variationer til at forudsige måne- og solformørkelser.

Greeks Spheres and Circles. Grækerne brugte en geometrisk snarere end en numerisk metode til at forstå de samme himmelske bevægelser. Påvirket af Platons metafysiske begreb om perfektion af cirkulære bevægelser søgte grækerne at repræsentere de guddommelige himmellegemers bevægelser ved hjælp af sfærer og cirkler. Denne forklaringsmetode blev ikke forrykket, før Kepler erstattede cirklen med ellipsen i 1609.

Platons elev Eudoxus af Cnidus, ca. 408-c.355 f.Kr., var den første til at tilbyde en løsning efter disse retningslinjer. Han antog, at hver planet er knyttet til en af en gruppe af forbundne koncentriske kugler centreret om Jorden, og at hver planet roterer om forskelligt orienterede akser for at frembringe den observerede bevægelse. Med dette skema med krystallinske kugler kunne han ikke redegøre for variationen i planeternes lysstyrke; skemaet blev dog indarbejdet i Aristoteles’ kosmologi i løbet af det 4. århundrede f.Kr. Således forsøgte den hellenistiske civilisation, der kulminerede med Aristoteles, at beskrive en fysisk kosmologi. I modsætning hertil udviklede den hellenistiske civilisation, der fulgte efter Alexander den Stores erobringer, i løbet af de næste fire århundreder snart fremherskende matematiske mekanismer til at forklare himmelfænomenerne. Grundlaget for denne tilgang var en række forskellige cirkler kendt som excentriske cirkler, deferenter og epicyklusser. Den hellenistiske matematiker Apollonius af Perga, ca. 262-c.190 f.Kr., bemærkede, at Solens årlige bevægelse kan tilnærmes ved hjælp af en cirkel med Jorden lidt forskudt fra centrum, eller excentrisk, hvilket forklarer den observerede variation i hastighed i løbet af et år. På samme måde følger Månen en excentrisk cirkel i en periode på 27 1/3 dage. Planeternes periodiske omvendte, eller retrograde, bevægelse hen over himlen krævede en ny teoretisk anordning. Hver planet blev antaget at bevæge sig med ensartet hastighed omkring en lille cirkel (epicyklen), der bevægede sig omkring en større cirkel (deferenten), med en ensartet hastighed, der passede til hver enkelt planet. Hipparchus, ca. 190-120 f.Kr., den mest fremtrædende astronom i oldtiden, foretog forbedringer af teorien om solen og månen på grundlag af observationer fra Nikæa og øen Rhodos, og han gav solteorien stort set sin endelige form. Det blev overladt til Ptolemæus, ca. 100-c.165, at samle al den græske astronomis viden i Almagest og udvikle de endelige teorier om månen og planeterne.

Med Ptolemæus nåede den enorme kraft og alsidighed af disse kombinationer af cirkler som forklaringsmekanismer nye højder. I tilfældet med Månen redegjorde Ptolemæus ikke kun for den vigtigste uregelmæssighed, kaldet centerligningen, som gjorde det muligt at forudsige formørkelser. Han opdagede og korrigerede også en anden uregelmæssighed, evektion, på andre punkter i Månens bane ved hjælp af en epicykel på en bevægelig excentrisk deferent, hvis centrum drejede rundt om Jorden. Da Ptolemæus foretog en yderligere forfinelse, kendt som prosneusis, var han i stand til at forudsige Månens placering på himlen inden for 10 min eller 1/6° bue; disse forudsigelser var i god overensstemmelse med nøjagtigheden af de observationer, der blev foretaget med de instrumenter, der blev brugt på den tid. På samme måde beskrev Ptolemæus de enkelte planeters bevægelser i Almagest, som med nogle få bemærkelsesværdige uddybninger gik gennem den islamiske civilisation og videre til den europæiske renæssancecivilisation, der fostrede Nicolaus Kopernikus.

Den revolution, der er forbundet med navnet Kopernikus, var ikke en revolution inden for den tekniske astronomi med at forklare bevægelser, men hører snarere til inden for kosmologien. Især tilskyndet af en intens modvilje mod en af Ptolemæus’ forklaringsmekanismer, kendt som ækvanten, der kompromitterede princippet om ensartede cirkelbevægelser, placerede Kopernikus ikke Jorden, men Solen i universets centrum; dette synspunkt blev fremført i hans De revolutionibus orbium caelestium (Om himmelsfærernes omdrejninger, 1543). I dette værk tilpassede han imidlertid blot det græske system af epicyklusser og excentriske cirkler til den nye ordning. Resultatet var en indledende forenkling og harmoni, da Jordens døgn- og årsbevægelser antog deres sande betydning, men ingen generel forenkling af antallet af epicyklusser, der var nødvendige for at opnå den samme nøjagtighed i forudsigelserne som Ptolemæus havde opnået. Det var derfor slet ikke klart, at dette nye kosmologiske system indeholdt nøglen til det sande matematiske system, der præcist kunne forklare planetariske bevægelser.

Keplerianske ellipser og newtonsk gravitation. Den tyske astronom Johannes Kepler kom med en dristig løsning på problemet med planeternes bevægelser og påviste gyldigheden af Kopernikus’ heliocentriske teori, idet han direkte forbandt Solen med den fysiske årsag til planeternes bevægelser. For Kepler drejede det sig om en uoverensstemmelse på blot 2,5 meter mellem teori og observation af planeten Mars’ position. Denne grad af nøjagtighed ville have glædet Ptolemæus eller Kopernikus, men den var uacceptabel i lyset af den danske astronom Tycho Brahes observationer, der blev foretaget fra Uraniborg-observatoriet med en række nykonstruerede sekstanter og kvadranter, og som var nøjagtige med en nøjagtighed på mellem 1 fod og 4 fod. Denne nye nøjagtighedsskala revolutionerede astronomien, for i sin Astronomia nova (Ny astronomi, 1609) meddelte Kepler, at Mars og de andre planeter må bevæge sig i elliptiske baner, som let kan forudsiges ved hjælp af lovene for planetarisk bevægelse, som han fortsatte med at redegøre for i dette værk og i Harmonices mundi (Harmonier i verden, 1619). Kun ved at opgive cirklen kunne himlen reduceres til en orden, der kunne sammenlignes med de mest nøjagtige observationer.

Keplers love og den kopernikanske teori nåede deres endelige bekræftelse med Sir Isaac Newtons formulering af lovene om universel gravitation i Principia (1687). I disse love blev solen udpeget som den fysiske årsag til planeternes bevægelse. Lovene tjente også som det teoretiske grundlag for at udlede Keplers love. I løbet af det 18. århundrede blev konsekvenserne af gravitationsastronomien erkendt og analyseret af dygtige matematikere, navnlig Jean d’ Alembert, Alexis Clairaut, Leonhard Euler, Joseph Lagrange og Pierre Laplace. Videnskaben om himmelsmekanikken var født, og målet om nøjagtige forudsigelser blev endelig realiseret.

I hele denne diskussion var stjernerne blevet betragtet som faste. Mens han arbejdede på sit katalog over 850 stjerner, havde Hipparchus imidlertid allerede erkendt det fænomen, der er kendt som jævndøgnets præcession, en tilsyneladende lille ændring i stjernernes positioner over en periode på hundreder af år forårsaget af en vaklen i Jordens bevægelse. I det 18. århundrede fastslog Edmond Halley, at stjernerne havde deres egen bevægelse, kendt som egenbevægelse, som kunne spores selv over en periode på få år. Observationerne af stjernernes positioner, som blev foretaget med transitinstrumenter gennem det monumentale arbejde, der blev udført af videnskabsmænd som John Flamsteed, lagde grunden til løsningen af et kosmologisk problem fra en anden tidsalder: fordelingen af stjernerne og universets struktur.