Ещё в глубокой древности люди заметили взаимосвязь движения небесных светил по небосводу и периодических изменений погоды. Астрономия тогда была основательно перемешана с астрологией. Окончательное выделение научной астрономии произошло в эпоху Возрождения и заняло долгое время.

Астрономия — одна из старейших наук, которая возникла из практических потребностей человечества. По расположению звезд и созвездий первобытные земледельцы определяли наступления времен года. Кочевые племена ориентировались по Солнцу и звездам. Необходимость в летоисчислении привела к созданию календаря. Есть доказательства, что еще доисторические люди знали об основных явлениях, связанных с восходом и заходом Солнца, Луны и некоторых звезд. Периодическая повторяемость затмений Солнца и Луны была известна уже очень давно. Среди древнейших письменных источников встречаются описания астрономических явлений, а также примитивные расчетные схемы для предсказания времени восхода и захода ярких небесных тел и методы отсчета времени и ведения календаря. Астрономия успешно развивалась в Древнем Вавилоне, Египте, Китае и Индии. В китайской летописи описывается затмение Солнца, которое состоялось в 3-м тысячелетии до н. е. Теории, которые на основе развитых арифметики и геометрии объясняли и предсказывали движение Солнца, Луны и ярких планет, были созданы в странах Средиземноморья в последние века дохристианской эры и вместе с простыми, но эффективными приборами, служили практическим целям вплоть до эпохи Возрождения.

Особенно большого развития достигла астрономия в Древней Греции. Пифагор впервые пришел к выводу, что Земля имеет шарообразную форму, а Аристарх Самосский высказал предположение, что Земля вращается вокруг Солнца. Гиппарх во 2 в. до н. е. составил один из первых звездных каталогов. В произведении Птолемея «Альмагест», написанном в 2 ст. н. э., изложены т. н. геоцентрическую систему мира, которая была общепринятой на протяжении почти полутора тысяч лет. В средневековье астрономия достигла значительного развития в странах Востока. В 15 в. Улугбек построил вблизи Самарканда обсерваторию с точными в то время инструментами. Здесь был составлен первый после Гиппарха каталог звёзд. С 16 в. начинается развитие астрономии в Европе. Новые требования выдвигались в связи с развитием торговли и мореплавания и зарождением промышленности, способствовали освобождению науки от влияния религии и привели к ряду крупных открытий.

Рождение современной астрономии связывают с отказом от геоцентрической системы мира Птолемея (II век) и заменой ее гелиоцентрической системой Николая Коперника (середина XVI века), с началом исследований небесных тел с помощью телескопа (Галилей, начало XVII века) ​​и открытием закона всемирного притяжения (Исаак Ньютон, конец XVII века). XVIII—XIX века были для астрономии периодом накопления сведений и знаний о Солнечной системе, нашей Галактике и физической природе звезд, Солнца, планет и других космических тел. Появление крупных телескопов и осуществления систематических наблюдений привели к открытию, что Солнце входит в состав огромной дискообразной системы, состоящей из многих миллиардов звезд — галактики. В начале XX века астрономы обнаружили, что эта система является одной из миллионов подобных ей галактик. Открытие других галактик стало толчком для развития внегалактической астрономии. Исследование спектров галактик позволило Эдвину Хабблу в 1929 году выявить явление «разбегания галактик», которое впоследствии получило объяснения на основе общего расширения Вселенной.

В XX веке астрономия разделилась на две основные ветви: наблюдательный и теоретическую. Наблюдательная астрономия сосредоточена на наблюдениях небесных тел, которые затем анализируют с помощью основных законов физики. Теоретическая астрономия ориентирована на разработку моделей (аналитических или компьютерных) для описания астрономических объектов и явлений. Эти две ветви дополняют друг друга: теоретическая астрономия ищет объяснения результатам наблюдений, а наблюдательный астрономию применяют для подтверждения теоретических выводов и гипотез.

Научно-техническая революция XX века имела чрезвычайно большое влияние на развитие астрономии в целом и особенно астрофизики. Создание оптических и радиотелескопов с высоким разрешением, применение ракет и искусственных спутников Земли для внеатмосферных астрономических наблюдений привели к открытию новых видов космических тел: радиогалактик, квазаров, пульсаров, источников рентгеновского излучения и т. д.. Были разработаны основы теории эволюции звезд и космогонии Солнечной системы. Достижением астрофизики XX века стала релятивистская космология — теория эволюции Вселенной в целом.

2009 год был объявлен ООН Международным годом астрономии (IYA2009). Основной упор делается на повышении общественной заинтересованности и понимании астрономии. Это одна из немногих наук, где непрофессионалы все еще ​​могут играть активную роль. Любительская астрономия внесла свой ​​вклад в ряд важных астрономических открытий.