První skutečné astronomické znalosti pochází z doby před šesti tisíci lety - z doby, kdy se teprve tvořilo písmo. Do dnešní doby se zachovaly primitivní a nedokonalé stavby, které byly budovány jako jakési prahvězdárny. Mezi nejznámější patří Stonehenge u Salisbury v jižní Anglii. To dokládá, že o astronomii se zajímaly nejen vyspělé civilizace, ale i obyvatelé střední a západní Evropy. Takové stavby se nachází i u nás.
Daleko více se astronomie rozvíjela ve vyspělých civilizacích v povodí velkých řek: Nilu, Eufratu a Tigridu, Gangy a Žluté řeky. Již ve 3. - 2. tisíciletí před n. l. byla přesně určena délka roku, např. v Číně na 365,25 dne. Astronomie tu byla úzce spjata se zemědělstvím, např. v Egyptě při pravidelných nilských záplavách.
Jeden z nejstarších příběhů o činnosti astronomů se udál ve staré Číně a bude nejspíš pouhou legendou. Dvorní astronomové Hsi a Ho se prý v roce 2137 před n. l. opíjeli a nepředpověděli zatmění Slunce, což byl opravdový malér, neboť jejich povinností bylo včas nařídit bubnování a střílení proti obludě, která začala požírat Slunce.
Ve čtvrtém století před n. l. vznikl v Číně nejstarší atlas komet, zvaný Hedvábná kniha. Kniha měla podobu hedvábné stuhy o délce 1,5 metru a obsahovala třídění komet na 29 typů a přehled pohrom, které komety způsobují. Hedvábná kniha byla objevena v jedné hrobce roku 1973.
Nejdále dospěla babylónská věda. Babylónští astronomové sestavovali tabulky periodicity pohybů nejjasnějších planet - Venuše a Jupitera. Dlouhodobá pozorování souhvězdí, planet a Měsíce přivedla babylonské astronomy k nalezení některých pravidelností, zejména periody saros, která umožňovala předpovídat zatmění Měsíce.
Staří Babylóňané rozdělili den na 24 hodin a sestavili vodní hodiny, od nich také pochází dělení hodiny na 60 částí i dělení kruhu na 360 výsečí. Určili poměrně přesně délku roku, který rozdělili na 12 měsíců. V té době vznikla u babylónských a asyrských kněží astrologie. Ve starých kulturách Mezopotámie a v Egyptě se pak vytvořily základy, na nichž mnohem později vznikly přírodní vědy i když ještě pod značným náboženským tlaket.