中國天文學的研究開始得很早。《尚書·堯典》上有“三百有六旬有六日，以閏月定四時，成歲”的話，證明在春秋戰國時期以前（《堯典》大約是戰國時人所作），我國人已經知道太陽曆的一年，即三百六十六日弱，而對於依朔望計算日期之太陰曆，采用閏月的補充，使其符合季節的變化。
我國古時確定季節的變化，是用夜間觀察星辰的方法，所認為標準的星辰有“參”“大火”“北鬥”等。到周初以至春秋中期，則采用“二十八宿法”。這個方法，是將黃赤道附近一周天，按照月球的運動行程，以顯著的星象為目標，區分成二十八個不等部分，稱為二十八宿，然後由觀測新月以後月的位置之變化，依照它的比例，從新月的位置倒數二日行程，而決定這個二十八宿的回溯點，為日月合朔時之月的位置，亦即太陽的位置。從這樣認出的太陽的位置而知道一年間的季節，比較以前的觀察是精確多了。在春秋中期又采用了“周髀”（髀者股也，直角三角形底邊為股）的日影觀測法。這就是直立一棒而觀察日午時的影長，而以最長、最短的距離為日至（冬至與夏至）。由這種觀測而決定的節氣比以前的方法更精確。並且根據它而以冬至為一年之始，采用了冬至為正月的曆法。到春秋後期，十九年七閏法成立，曆法的時代正式開始。
戰國時代，計算閏月，又采取了七十六年法。戰國中期，開始用歲星紀年。五星運行的觀測，恒星天的測定，星經的編纂，五行學說的倡導，都在戰國時代。
前漢末年，天文家有“蓋天”“渾天”的理論爭執。蓋天說者認為天在上，地在下；渾天說者認為天包於外，地居於中。前漢揚雄主張渾天說，後漢王充是一個蓋天說者，而張衡是渾天說者。張衡曾創製渾天儀，又創地動儀以測地震。