최초의 별 관찰자들은 하늘을 자세히 관측할 수 있는 망원경이나 첨단광학 보조 기구가 없는데도 독창적인 기구를 다양하게 활용해 별의 위치를 측정하고 행성들의 위치 변화를 추적했다. 관측을 통해 별 관찰자들은 행성 운동에 대해 놀랄 만큼 정교한 모형을 개발할 수 있었고, 그 것으로 천체 현상을 예측했다. 굉장히 정확했던 관측 결과를 활용해 16세기에 코페르니쿠스는 태양 중심의 우주를 주장했으며, 독일의 천문학자 요하네스 케플러도 행성 운동 법칙을 만들었다. 행성 운동 법칙은 이후 400년 이상 우주를 설명하는 데 사용되어 왔으며 지금까지도 사용되고 있다.
17세기 초, 천문학에 또 다른 혁명이 일어났다. 망원경이 발명되면서 인간은 불완전한 시력에 얽매이지 않고도 우주를 연구할 수 있게 되었다. 망원경은 아득한 천체와 머나먼 별들을 볼 수 있도록 시야를 넓혀 주었고, 생각지도 못했던 완전히 새로운 천체를 처음으로 관찰하게 해 주었다. 새로운 행성부터 성단, 성간가스 구름과 머나먼 은하까지 볼 수 있었다. 19세기에는 천문학자들이 사진이라는 새로운 발명품을 이용해 그동안 망원경을 통해 보았던 천체를 처음으로 조금 더 정확하고 간편하게 기록했다. 그 후 천문학자들은 접안렌즈 앞에 딱 붙어 앉을 필요도 없이 더 많은 빛을 더 자세히 포착하게 되었다. 오랜 노출을 통해 희미한 빛도 포착할 수 있게 되면서 분광학 기술을 처음으로 사용하게 되었다. 실험이 발전해 분광 '신호'를 통해 물체의 화학 작용이라는 비밀을 밝혀내게 된 것처럼 말이다.
최근 몇년 사이에 위성 망원경, 반도체 전자 기기와 컴퓨터 기술이 등장해 다시 한 번 천문학을 바꿔 놓고 있다. 여러 가지 새로운 관측 기술들이 개발되면서 관측할 수 있는 우주의 끝, 머나먼 은하에서 오는 빛의 개별적인 광자들을 집계하고 활용하게 되었다. 신세계가 열린 것이다. 그리고 미래에는 가장 오래된 이 과학이 다시 한 번 변화해 우리를 둘러싼 우주에 대해 예상치 못한 통찰력을 더 많이 제공할 것이다.
우주를 보는 우리의 관점은 아무래도 우주 속에서 우리의 위치에 따라 달라질 수 밖에 없다. 초기 천문학자들은 지구가 모든 만물의 중심이고, 별과 행성을 비롯한 그 밖의 천체는 전부 지구 주위를 돈다고 믿었다. 하지만 오늘날 우리는 이와 달리 지구가 타원형 궤도를 따라 태양 주위를 도는 여덟 개의 행성과 다른 무수한 천체들 중 하나에 불과하다는 사실을 잘 알고 있다. 우리가 우주 안에서 이동한다고 가정했을 때, 다른 별들은 상상을 초월할 만큼 멀리 떨어져 있기 때문에, 가장 가까운 별조차 겉보기 위치에 거의 변화가 없다. 지구는 자전하기 때문에 별이 매일 동쪽 하늘에서 서쪽 하늘로 움직이는 것처럼 보인다. 반면에 지구가 궤도를 따라 공전할 때는 태양이 별들을 배경 삼아 동쪽으로 천천히 이동하는 것처럼 보인다.
태양은 황도라는 경로를 따라 1년에 한번 하늘 길을 완주한다. 행성들은 대체로 똑같은 궤도면 안에서 공전하므로 대개 황도나 황도 근처에서 발견된다.