Thiên văn học là một trong những môn khoa học ra đời sớm nhất trong lịch sử loài người. Những dấu vết khởi đầu của ngành thiên văn có từ thời tiền sử. Qua quan sát chuyển động biểu kiến của Mặt Trời, Mặt Trăng, con người đã tìm ra những thời điểm thay đổi của thời tiết. Vào cuối thời đại đồ đá (thiên niên kỷ 4 - 3 TCN), ở những nền văn minh cổ đại, quan sát bầu trời là công việc rất quan trọng của giới tăng lữ. Trước khi con người học được cách định vị trên Trái Đất và sáng tạo ra môn địa lý học, họ đã quan sát bầu trời và sản sinh ra những mô hình đầu tiên của nó. Thời điểm thiên văn học trở thành một môn khoa học theo cách nhìn nhận ngày nay đã diễn ra vào thế kỉ 16 nhờ công sức của Nicolaus Copernicus, kế tiếp là Galileo Galilei, Johannes Kepler, Isaac Newton. Một trong những tác nhân quan trọng nhất đối với cuộc cách mạng thiên văn học của Nicolaus Copernicus là phát minh kính viễn vọng.

Những bước tiến của thiên văn học hiện đại đã xảy ra vào nửa cuối thế kỷ 19 khi các phương pháp phổ học và chụp hình được sử dụng trong quan sát thiên văn. Những bước nhảy vọt của thiên văn học được ghi nhận vào những năm 40 của thế kỷ 20 nhờ các quan sát thiên văn vô tuyến và tiếp đó là sự kiện con người khắc phục được những cản trở của khí quyển Trái Đất khi quan sát toàn vẹn phổ của vũ trụ từ các vệ tinh nhân tạo.