古代
早期的天文学家只用眼睛看星星。他们出于宗教原因绘制了星座和恒星地图，并通过日历计算出一年的时间。早期的文明，如玛雅人和古埃及人建立了简单的天文台，并画出了星星的位置图。他们也开始思考地球在宇宙中的位置。长久以来，人们认为地球是宇宙的中心，行星、恒星和太阳都围绕着地球转。这就是所谓的地心说。
古希腊人试图通过测量来解释太阳和星星的运动。一位名叫埃拉托斯特尼的数学家是第一个测量地球大小的人，他证明了地球是一个球体。另一位名叫阿里斯塔克斯的数学家的理论是，太阳在中心，地球绕着太阳运动。这就是所谓的日心说。只有少数人认为这是正确的。其余的人则继续相信地心说。大多数星座和恒星的名字都来自于当时的希腊人。
阿拉伯天文学家在中世纪取得了许多进步，包括改进了星图和估计地球大小的方法。他们还向古人学习，将希腊文书籍翻译成阿拉伯文。
文艺复兴到现代
在文艺复兴时期，一位名叫尼古拉-哥白尼的神父通过观察行星的运动方式，认为地球不是万物的中心。根据之前的研究，他说地球是一颗行星，所有的行星都围绕太阳运动。这就使日心说的旧观念又回来了。一个叫伽利略-伽利莱的物理学家建造了自己的望远镜，用它们第一次更仔细地观察了恒星和行星。他同意哥白尼的观点。天主教会认为伽利略是错的。他不得不在软禁中度过余生。日心说很快被约翰内斯-开普勒和艾萨克-牛顿改进，他们发明了万有引力理论。
伽利略之后，人们制造了更好的望远镜，用它们来观察更远的天体，比如天王星和海王星。他们还看到了恒星如何与我们的太阳相似，但颜色和大小不一。他们还看到了数以千计的其他遥远的物体，如星系和星云。
现代
1920年以后的20世纪，天文学发生了重要变化。
在20世纪20年代初，人们开始接受我们生活的银河系并不是唯一的星系。埃德温-哈勃确定了其他星系的存在，他将仙女座星云确定为一个不同的星系。也正是哈勃证明了宇宙正在膨胀。在很大的距离上有许多其他星系，而且它们正在后退，远离我们的星系。这是完全出乎意料的。
1931年，卡尔-扬斯基在试图隔离无线电通信中的噪声源时，发现了来自地球外的无线电发射，这标志着射电天文学的诞生，也标志着利用电磁波谱的另一部分来观测天空的首次尝试。大气层没有阻挡的那些电磁波谱部分，现在向天文学开放了，使更多的发现得以实现。
在打开这扇关于宇宙的新窗口时，人们发现了全新的事物，例如脉冲星，它向太空发出有规律的无线电波脉冲。这些电波最初被认为是来自外星的，因为这些脉冲如此有规律，意味着有人工来源。
二战后的这段时期，有更多的天文台，在良好的观测地点建造和运行大型精确的望远镜，通常由政府负责。例如，Bernard Lovell利用剩余的军用雷达设备在Jodrell Bank开始了射电天文学的研究。到1957年，该站点拥有了世界上最大的可转向射电望远镜。同样，1960年代末，在夏威夷的莫纳克亚开始建造专门的观测站，由于其海拔高，天空晴朗，是建造可见光和红外望远镜的好地方。
天文学的下一次伟大革命是由于火箭的诞生。这使得望远镜能够被放置在卫星上的空间。
空间望远镜使人们有史以来第一次有机会看到整个电磁波谱，包括被大气层遮挡的射线。随着观测望远镜的发射，X射线、伽马射线、紫外线和部分红外光谱都向天文学开放。与光谱的其他部分一样，也有了新的发现。
从20世纪70年代开始，发射的卫星被更精确、更好的卫星所取代，使得天空中几乎所有的电磁波谱都被测绘出来。
