中国古代的天文学成就，包括阴阳历法的制定、天象观测、天文仪器的制造和使用，以及构造宇宙理论。大概到了汉代，我国已形成自己独特的天文和历法体系。特别是在天象观测记录的丰富性、完整性方面，中国一直走在世界各文明古国的前列。
作为一个农业大国，制定历法是一项极为重要的工作。我国人民很早就认识到，要正确地制定历法就需要仔细地观测天象。制历必先测天，这个制历原则在汉初即已确认。中国传统的历法是阴阳合历，既考虑月亮运动（阴历），又考虑太阳运动（阳历）。它的三个基本要素是日、气、朔。气即二十四节气，按太阳运动编制，是阳历成分；朔是月亮处在地球和太阳之间以致白天黑夜均不可见的时间，两朔之间称为一个朔望月，所以朔是阴历成分。由于日月运动的不均匀性，连续两个朔望月的长度并不相等。经长期观测推算出来的平均长度称为平朔，对平朔进行修正所得到的真实长度称为定朔。将日、朔望月与二十四节气编制到一起是中国历法的主要工作。
早在战国时期，中国就出现了以天为一年的所谓“四分历”。它以天为一朔望月，19年设7个闰月。公元前104年由汉代天文学家邓平、落下闳等创制的“太初历”是现存最早有详细记载的历法，典型地反映了我国历法的特点：除保持上述四分历的基本数据外，还规定以冬至所在的月为11月；正月为岁首；以没有中气（二十四节气中的奇数位为“节”，又称“节气”，偶数位为“气”，又称“中气”）的月份置闰。这些规定很好地调整了阳历与阴历的关系。以后，在天象观测的基础上，历代天文学家不断修正回归年长度、朔望月长度、置闰规则，使历法不断改进。据统计，我国历代编制的历法有近百之多，反映了天文历法事业的发达。中国的天文历法工作一向为皇家所重视。中国传统思想中“天”享有至高无上之地位的观念，使天文学受到了很高的礼遇。天文学家作为政府高级官员不仅“敬授人时”，而且揭示“天”行之道；不仅为农业生产服务，而且为“天”子皇帝服务。这种特殊的地位可能是中国天文学比较发达的重要原因。
与制定历法工作密切相关的天象观测工作构成了中国天文学的主要内容。在恒星、行星、日月和异常天象观测方面，我国都有杰出的成就，在日月运行规律的发现以及异常天象的观测与记录方面尤为突出。在恒星观测方面，我国有世界上公认的最早的星表“甘石星表”（公元前4世纪）。到了汉代可能已有了星图。从敦煌石窟中发现的一幅唐代绘制的星图，载有1300多颗星。北宋时期于11世纪初进行了五次大规模的恒星观测，可惜的是当时绘制的星图均已失传。现存苏州市博物馆的南宋石刻天文图（刻于1247年）被认为是按1193年的一幅星图刻制的。石刻上面刻有1434颗星，是世界天文学史上珍贵的文物，因为除中国外，14世纪之前世界上所有的星图都未保存下来。
在日月行星的观测方面，可举长沙马王堆汉墓中出土的帛书《五星占》为例。上面详细记录了公元前246年到177年间金星、木星和土星的位置，记载金星的会合周期为584.4日（今测值583.92日）。对于日月食的观测记录，是我国天文学的另一大特色。《汉书·五行志》对公元前89年的日食的记载非常详细，包括太阳位置、食分、初亏和复圆时刻等。从汉初到公元1785年，我国共记录日食925次，月食574次，堪称世界之最。
在异常天象的观测记录方面，中国人做出了无与伦比的贡献。西方人因为受亚里士多德思想的影响，认为天界纯净无瑕、天际恒常不变，对异常天象有意无意地予以忽视。中国天文学家没有这些思想束缚，这方面的记录格外详尽。《汉书·五行志》中记录了公元前28年3月的太阳黑子现象。《汉书·天文志》记载了公元前32年10月24日的极光现象。马王堆出土的29幅彗星图表明当时对彗星的观测已非常细致，不仅注意到彗头、彗核和彗尾，还知道彗头和彗尾有不同的类型。《汉书·天文志》还记载了公元134年的一颗新星。所有这些异常天象记载都是世界上最早的记录。此外，在太阳黑子、新星、超新星等方面，我国都留下了世界上最为丰富的观测记录。
中国天文观测历史悠久，其观测仪器也独具特色。大约在西周时代，中国天文学家已开始使用漏壶计时。浑仪和浑象是我国传统的天文观测仪器，有据可考的最早的制造者是西汉的落下闳。浑指圆球，浑仪是由一系列同心圆组成的一种仪器，往往还加上窥管，以备实际观测使用。浑象则是一个球，上面刻着各种特征的天象，用以演示实际天象。浑象和浑仪统称浑天仪。东汉的著名科学家张衡在前人所造浑象的基础上，制成了漏水转浑天仪。它由漏壶和浑天仪共同组成。浑天仪是一个刻有二十八宿、中外星官和黄赤道、南北极、二十四节气等的铜球，被固定在一个轴上转动，转动动力由漏壶的流水提供，可以模拟星空的周日视运动。张衡以后，浑天仪朝更加精致和准确的方面发展。宋朝苏颂等人制造了第一台假天仪。它类似现代天文馆中的天象厅，人们可以进入里面仰面观看模拟的天象。
浑天仪的制作基于某种宇宙理论。自远古以来，我国人民相信宇宙的基本结构是天盖地承，将这种看法精致化，就成了一种盖天说的宇宙理论。它主张天和地是两个同心穹形，之间相距4万千米。北极是天穹的中央，日月星辰绕之旋转。盖天说比较符合人们的直观常识，但不能很好地解释精确观测到的天象，因此后来又有浑天说和宣夜说出现。浑天说的代表人物张衡认为：“浑天如鸡子。天体圆如弹丸，地如鸡中黄，孤居于内，天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，载水而浮。”（《浑天仪图注》）意思是说，天是一个完整的球；地球处在天球之中，如同蛋黄居鸡蛋内部一样。恒星处在天球之上，而日月五星则游离于天球附近。浑天说可以更好地解释天象，并且可以被用来计算天体的位置，是球面天文学的原始形式。与浑天说对立的是所谓宣夜说。它反对有什么固体天穹，主张宇宙处处充满无边无涯的气体，日月星辰在其中漂浮游动。宣夜说的“气”论支持宇宙无限的观念，但与天文观测无法衔接，只是一种思辨的哲学理论。
自秦汉以来，我国出现了一大批杰出的天文学家。他们以精湛的观测技术、高超的计算水平创造了精确的历法，发现了天体运行的规律，留下了极有价值的天象记录。其中张衡、祖冲之、僧一行和郭守敬尤其值得一提。
张衡生于南阳西鄂（今河南南阳石桥镇），是东汉时期著名的天文学家和文学家。他的《东京赋》和《西京赋》奠定了他在中国文学史上的地位。他在科学上最为突出的工作是他的浑天理论，以及他所制造的候风地动仪和漏水转浑天仪。张衡的浑天理论见于他的《灵宪》一书。在该书中，他阐明了阴阳辩证的宇宙起源理论，指出虽有天球但宇宙无界。他还用距离的大小解释行星运动的快慢。在《浑天仪图注》和《漏水转浑天仪记》中，张衡讲解了漏水转浑天仪的原理和应用，奠定了我国天文仪器的制造学基础。《后汉书·张衡传》中记载的候风地动仪更是驰名中外。据说，“地动仪以精铜制成，圆径八尺，合盖隆起，形似酒尊”，中有都柱，外有八道，八道连接八条口含小铜珠的龙，龙头下面有一只蟾蜍张口向上。一旦发生地震，都柱因受震动倒向八道之一，该道龙口张开，铜珠落入蟾蜍口中，观测者即可得知地震的时间和方向。据史载，该仪器确实探测到了公元138年在甘肃发生的一次地震，但可惜的是，该仪器已经失传，后人多方复原均未达到理想效果。
祖冲之既是伟大的数学家，也是伟大的天文学家，其数学成就在我国家喻户晓。他出生在一个学术世家，祖上数代对天文、历法和算学都有很高的造诣。祖冲之本人从小专攻数术，技艺日精。他最为世人所知的科学工作是求圆周率。运用前辈伟大的数学家刘徽的割圆术，祖冲之求出了精确到小数点后第七位的圆周率：3.1415926<π<3.1415927。这一数字在世界上领先了1000多年，直到15世纪后，才有阿拉伯数学家突破这一精度。为了计算方便，祖冲之还求出了用分数表示的密率和约率。在天文学上，祖冲之的主要贡献是制定了《大明历》，改进了前辈天算历法家的不足之处。首先，他把前人发现并测定的“岁差”现象纳入历法编制中；其次，他制定了每391年设144个闰月的更为准确的置闰周期；再次，他推算出回归年长度为365.2428148日，与今日推算值只差46秒。他还明确提出交点月的长度为27.21223日，与今日推算比较，只差1秒左右。《大明历》所用的一些基本天文常数普遍达到了相当高的精度，长时间被后世历法制定者沿用。祖冲之不仅是一个杰出的天算家，还是一个多才多艺的机械发明家。据说他亲手制造了指南车、千里船和水碓磨等。
在中国历法史上，唐代僧一行主持编制的《大衍历》具有特殊的意义。一行俗名张遂，魏州昌乐（今河南南乐县）人，精通历象、阴阳、五行之学，出家之后仍勤奋钻研数学。公元717年，唐玄宗令一行修改现行历法，制定新历。为此，他组织了一大批朝野天文学家进行系统的天象观测，特别是直接观测太阳在黄道上的视运动，以作为改历的基础。首先，一行运用梁令瓒设计的黄道游仪，系统观测记录了日月星辰运动的材料，废除了过时的数据，采用新的更加符合天象的数据。其次，为了使新历法在全国各地均能通行，一行领导了对全国的大地测量。测量的结果否定了长期以来为人信奉的“南北地隔千里，影长相差一寸”的说法，得出地球子午线一度弧长129.22千米的准确数据（今日测量值是111.2千米）。从725年开始着手编制，直到727年一行死前不久方完成的《大衍历》是当时最好的历法，形成了我国成熟的历法体系，为后世所仿效。
我国的天文仪器在元代达到了其发展的高峰，元代科学家郭守敬正是这些仪器的监制者。在圭表制造上，郭守敬创造性地运用“高表”及“景符”，使测影精度大大提高。在浑仪制造上，郭守敬发明了简仪。他改变了过去旋环过多、不利于观测的状况，把浑仪分解为两个独立的装置（赤道装置和地平装置），并且在窥孔上加线，提高了观测精度。除此之外，郭守敬还设计制造了仰仪（观测太阳）、七宝灯漏（自动报时）、星晷定时仪（以恒星位置定时刻）、水运浑象、日月食仪等天文仪器。郭守敬不仅是一位杰出的仪器制造家，还是著名的天文观测家。他所参与创制的《授时历》是我国中古时期历法的优秀典范。它将回归年长度定为365.2425（与今天世界通用的格里高利历一样），并正确地认识到回归年长度古大今小。《授时历》所首创的推算日月五星运动的“创法五事”将天象预测工作推向了高峰。
