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先秦时期，发展最早、规模最大的学科是天文学。在这个时期人们的意识中，原来生活在山上的帝都到了天上，所以称为“上帝”。也有资料显示，上，就是“很早以前”的意思，所以上帝就是古帝。不过上帝在天上，也确是这一时期人们的普遍意识。
上帝在天上，上帝的指示也要从天上发出，对人类而言，了解上天的指示是最重要的事情。因此，弄清天上的事，也成为最重要的科学活动。
从传说时代以降，天文官员都是世袭的。最早的天文官员被认为就是重和黎，也有文献说重和黎是一个人，叫重黎。到尧舜时代，继承他们的，是羲与和，或者羲和。司马迁说，夏代有昆吾，商代是巫咸，周初是史佚，东周是苌弘。春秋战国时期，宋国有子韦，郑国有禆灶，齐国有甘德，楚国有唐昧，赵国有尹皋，魏国有石申，在鲁国，还有梓慎。另据司马迁所说，重黎的后代在周宣王时成为司马氏，是周代的史官，也是天文官员。后来国家动乱，司马氏分成数支。司马迁的祖上曾做过将军，到他父亲才又做史官。他继承了父亲的事业，也兼管天文。
先秦时期天文学的发展，使天文官员获得了社会的普遍信任。《庄子·齐物论》在议论哲学问题时说道：“自此以往，巧历不能得，而况其凡乎。”“巧历”，也就是负责制订历法的天文官员。庄子认为，他们解决不了的问题，别人也就无法解决。
春秋战国时代，战争频繁，深陷于战争泥淖中的诸侯们，想了解天意的心情也就更加迫切：“天子微，诸侯力政，五伯代兴，更为主命。自是之后，众暴寡，大并小。秦楚吴越，夷狄也，为强伯。田氏簒齐，三家分晋，并为战国，争于攻取，兵革更起，城邑数屠，因以饥馑疾疫焦苦，臣主共忧患，其察祥、候星气尤急。”（《史记·天官书》）战争的需要，也促进了天文观测的发展。
察祥、候星气的同时，与此有关的各种问题也引起了人们的兴趣：
天其运乎，地其处乎，日月其争于所乎？孰主张是，孰维纲是，孰居无事推而行是？意者其有机缄而不得已邪，意者其运转而不能自止邪？云者为雨乎，雨者为云乎？孰隆施是，孰居无事淫乐而劝是。风起北方，一西一东，有上彷徨孰嘘吸是，孰居无事而披拂是？敢问何故。（《庄子·天运》）
与此同时，宇宙的起源、世界的由来等问题，也被提了出来。据庄周说：“有始也者，有未始有始也者，有未始有夫未始有始也者。有有也者，有无也者，有未始有无也者，有未始有夫未始有无也者。”（《庄子·齐物论》）屈原说：“遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？冥昭瞢暗，谁能极之？冯翼惟像，何以识之？明明暗暗，惟时何为？阴阳三合，何本何化？圜则九重，孰营度之？惟兹何功，孰初作之？”（《天问》）庄周认为这是没有意义的问题，屈原也只是提出问题。据庄周说，当时有个叫黄缭的，也提出了类似的一些问题：
南方有倚人焉曰黄缭，问天地所以不坠不陷，风雨雷霆之故。惠施不辞而应，不虑而对，遍为万物说。说而不休，多而无已，犹以为寡，益之以怪。（《庄子·天下》）
惠施是庄周的朋友，庄周说“惠施多方，其书五车，其道舛驳”，“散于万物而不厌”，“逐万物而不反”。（《庄子·天下》）这是一个对世界上所有的事物都感兴趣，而且都要给出一个答案的人。可惜的是，今天我们仅仅在《庄子·天下篇》中看到他提出的那几十个怪问题。他的五车书讲的都是什么，他对于天地万物的探索和答案，我们今天都不得而知了。
但是有一点我们是知道的，那就是这一时期，出现了高涨的探索自然的热情，取得了许多成就。这些成就中的第一项，就是对于天体形状和结构的知识。