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在我国，宇宙一词最早出自《庄子》：“旁日月，挟宇宙，为其吻合。”这时的“宇”代指一切空间，“宙”代指一切时间。这里宇宙的意义已是标准的时空了。《文子·自然》：“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”说明古代科学家对宇宙有新的认识。在国外，从毕达哥拉斯开始，古希腊哲学家的宇宙一词是（全部）定义为所有物质和所有空间，以及（所有事物）。宇宙的英语universe起源于古法语的univers，而该词又源自拉丁语的universum。英语中也有同样的同义词，例如：everything（万物）、cosmos（宇宙）、world（世界）。
我国古代对天体的认识主要有三大家。
1.盖天说。盖天说出现于殷末周初，其主要观点为天在上，地在下，天为一个半球形的大罩子。第一种盖天说即“天圆地方说。”《晋书·天文志》说：“周髀家云：天员（圆）如张盖，地方如棋局。”第二种盖天说将方形大地改为了拱表大地，《晋书·天文志》中所说的“天象盖笠，地法覆盘。”该说已经有了拱形大地的设想，为以后球形大地认识奠定了基础。
2.浑天说。“浑天说”主张大地是个球形，外裹着一个球形的天穹，地球浮于天表内的水上。汉代天文学家张衡在其《浑天仪图注》中说：“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于天内，天大而地小。……”宋代张载的《正蒙·参两篇》中说“地在其中。”“浑天说”比“盖天说”进步得多了。
3.宣夜说。“宣夜说”认为天并没有一个固定的天穹，而只不过是无边无涯的气体，日月星辰就在气体中漂浮游动。《庄子·逍遥游》即有：“天之苍苍，其正色邪？其远而无所至极邪？”表达了自己对无限宇宙的猜测。三国时期学者杨泉在其《物理论》中说：“夫天，元气也，皓然而已，无他物焉。”“宣夜说”对宇宙的结构确实达到了较高水平，提出了一个朴素的无限宇宙观。我国古代《易·系辞》中曰：“乾，阳物也；坤，阴物也。”“一阴一阳之谓道，继之者善也，成之者性也”；《老子》中记载：“万物负阴而抱阳”。说明我国古代已用“阴、阳”及其运动变化来观察和解释天地万物。我国古代宣夜说《晋书·天文志》记载：“日月众星、自然浮生虚空之中，其行其止皆须气焉。”
在国外，希腊最早哲学家指出了物质改变形态的能力，泰勒斯提出世界上所有的物理材料都是被称为始基的单一原始材料的不同形式，他提议这种材料是水；阿那克萨哥拉提出了智性原理，赫拉克利特提出了火，恩培多克勒提出了地、水、气、火四元素说，受到了当时人们欢迎。后来留基伯及其学生德漠克利特和后来哲学家提出了原子说，认为宇宙是由通过真空移动的不可分割原子组成的。亚里士多德通过提出一个潜在的可计数无穷大概念以及无限不可分割的连续体，他认为世界范围被天球面所限定，天体由第五元素“以太”构成，天体在静止的地球周围以均匀的运动永久运转，物质完全包含在地球球体中——地心说。
亚里士多德的地心说模型在西方世界被接受大约两千年。尼古拉·哥白尼恢复了阿里斯塔库斯的日心说模型，即如果地球在自转轴上自转，而且太阳被放置在以下中心，天文观测数据可以解释得更合理。日心说被后来牛顿及惠更斯所接受，牛顿以哥白尼的研究、布拉赫的观测数据及开普勒的行星运动定律为基础，总结出了万有引力定律。1584年，布鲁诺经观测认为恒星都是遥远的太阳。18世纪中叶，赖特、康德和郎伯推测说，布满全天的恒星和银河构成了一个巨大的天体系统，从而奠定了银河概念基础。1924年，哈勃用造父视差法测得仙女座大星云等距离确立了河外星系的存在。现已观测到大约有两万亿个星系。
星系也聚集成大大小小的集团，叫星系团。现已发现上万个星系团。包括银河系在内约40个星系构成的一个小星系团叫本星系群。若干星系团集聚在一起构成更大、更高层次的天体系统叫超星系团。超星系团往往具有扁长的外形，其长径可达数亿光年。通常超星系团内只含有几个星系团，只有少数超星系团拥有几十个星系团。本星系群和其附近的约50个星系团构成的超星系团叫做本超星系团。本超星系团（超星系团）构成的丝状结构是宇宙中目前已知的最大结构，丝状结构与空洞构成长城，空洞指的是丝状结构之间的空洞，空洞与丝状结构一起是宇宙组成中最大尺度结构。长城是目前所知宇宙中被观察到的最巨大非结构，其中“五仙-北冕座长城”是目前所知最长的长城，距离地球约100亿光年，长达100亿光年。天文观测范围已经扩展到337亿光年的广阔空间。