戰國時期，甘德等人編撰的《石幹星經》是中國最早的天文著作，也是最早的星表。
西漢武帝時期，司馬還參與了太初歷法的修訂，歷法中包含節氣、閏法、新月、月食周期等內容，顯示了較高的水平。這壹時期還產生了渾天儀、大象等重要的觀測儀器。在天文理論上，首先提出了“渾天”說，即“渾天如雞，天體圓如彈丸，地黃如雞，獨居”，即把宇宙比作壹個雞蛋，地球像壹個蛋黃壹樣漂浮在宇宙中，然後又有人提出了“說”，認為“天”沒有固定的天穹。而是無邊無際，這實際上意味著宇宙是無限的。
三國兩晉南北朝時期，天文學依然發達。劉大明六年(公元462年)，祖沖之完成了《大明歷》，這是壹部高度精確的歷法。比如每個交點月的天數(月亮在天球上連續兩次越過黃道所需的時間)是27.21.223，與現代觀測的27.21.222只相差千分之壹天。
隋唐時期修訂歷法，重新確定星辰位置。壹條線，南宮朔等人做了世界上最早的子午線長度測量。根據天文觀測結果，人們繪制了壹系列星圖。在敦煌發現了壹幅李習安時期(705-710)唐中宗繪制的星圖，有13 50多顆星，反映了中國在觀星方面的高超水平。要知道，在1609年望遠鏡發明之前，歐洲從來沒有壹張星數超過1022的地圖。
在宋元時期，許多天文儀器被制造和改進。北宋蘇頌等人的“水運儀象臺”，以水為動力，帶動壹套精密的機械，不僅能觀測天體，還能演示天象，自動報時，成為舉世聞名的天文物種。元代郭守敬制作的簡易儀器在世界同類天文儀器中處於領先地位。他還創造了中國古代最精確的歷法——計時歷，將壹年定為365.2425天，與現在的公歷——格裏高利歷相同，但比格裏高利歷早300多年。
清代學者在天文理論上也有所突破。比如在《儀器和圖像的檢查的延續》壹書中，提出了恒星有遠近變化，即認識到恒星有視覺運動。歐洲是在1868才提出這個概念的。