Przed wynalezieniem narzędzi, takich jak teleskop, badania gwiazd musiały być prowadzone jedynie przy pomocy gołego oka. W rozwiniętych cywilizacjach, zwłaszcza w Mezopotamii, Chinach, Egipcie, Grecji, Indiach i Ameryce Środkowej, budowano pierwsze obserwatoria i badano poglądy na temat natury Wszechświata. Większość wczesnych obserwacji astronomicznych faktycznie służyła sporządzaniu katalogów gwiazd i planet, co obecnie jest przedmiotem zainteresowań astrometrii. Z tych obserwacji wywnioskowano ruch planet i sformułowano pierwsze filozoficzne wnioski. Ziemia była uważana za centrum Wszechświata, a wokół niej krążyć miały: Księżyc, Słońce i planety otoczone sferą gwiazd. Teoria ta znana jest jako geocentryczny model Wszechświata.
Szczególnie ważnym dla wczesnego rozwoju był początek astronomii matematycznej i naukowej (zapoczątkowanych przez Babilończyków), które stały się podstawą dla wielu innych cywilizacji. Babilończycy odkryli również cykliczność zaćmień księżycowych zwaną saros. thumb|Grecki równikowy zegar słoneczny z III lub II wieku p.n.e. Po Babilończykach znaczne postępy w astronomii poczyniono w starożytnej Grecji i świecie helleńskim. Grecka astronomia od początku charakteryzowała się dążeniem do racjonalnego fizycznego wyjaśnienia zjawisk niebieskich.