汉族有悠久的天文学观测的传统。远在传说时代，就有世袭执掌天文的官吏，专门负责观测天象。以后历代沿续，设观星台、观象台、司天台、司天监、钦天监等机构，负责观测天象、推算历法。因此，汉文献中以日食、月食、恒星、彗星、太阳墨子等天象的观测与记录，都是世界上最早的和最完整的。汉族古代天文学家制造的天文观测仪器有许多优点，其关键部件和原理至今仍被应用于现代大型天文观测仪器中。并以显示天体运行为契机，最先发明了报时的机械钟。此外汉族独立发明了自己的历法。
日食发生的最早记录，在距今约4000年前的夏代。距今约3000年前的商代甲骨卜辞中，有日食、月食的确切记录。周代以及春秋战国以来的典籍中，更有日食、月食的诸多记录。
恒星的观测记录，也见于商代甲骨文中。《周礼》有冯相氏，“掌十有二岁、十有二月、十有二辰、十日、二十有八星之位”。战国时甘德着《星占》八卷，石申着《天文》八卷，后人合称为《甘石星经》，其中记载120颗恒星位置，是世界上最早的恒星表。古代天文学家把周天分三垣和二十八宿，用这种区域划分来确定天体和天象发生的位置。先秦时期汉族先民绘制星图，留存至今最早的实物有五代时期出土的二块28宿星图刻石，其它着名的有宋代苏州石刻天文图及敦煌唐代星图。
对于哈雷彗星的观测记录，从公元前613年到20世纪初，汉文载籍中共有31次记录，最早的一次在公元前1057年。对于太阳黑子的观测，最早见于约公元前4世纪甘德的《星占》。正史中关于太阳黑子的记录，始于公元前28年。至1638年，见于正史中的太阳黑子记录约百余例，散见于其它汉文载籍的记载可能更多。这些珍贵的资料，至今仍有重要的科学研究价值。
由于积累了历代天文观测的丰富知识，汉代天文学家明确提出宇宙结构理论“浑天说”。否定了先秦的“盖天说”。为了准确地观测天体和天象的位置，汉代天文学家耿寿昌、贾逵等发明了以赤道为座标系的天文观测仪器，汉文称为“浑仪”或“浑天仪”。
汉代天文学家张衡创制的“浑象，是用来显示天象的仪器，类似现代的“天球仪”。
机械钟的发明，始于显示天球旋转的天文仪器，为汉族首先制作。公元725年，唐代天文学家一行高僧与梁令瓒在“浑仪”和“浑象”的基础上，制成“浑天铜仪”。
公元1092年，宋代天文学家苏颂制造了更先进的“水运仪象台”苏颂钟是人类在中世纪最卓越的机械制造，其原理于两个世纪后传入欧洲，导致机械钟在西方的发展。此外，春秋以前被普遍用来测量日影长度的“圭表”，也是汉族先民的一大发明。表为立竿，圭为卧尺，测日影长度，定冬至和夏至的日期以及回归年的长度。唐代一行等人最早实测了子午线的长度。汉族先民最早发现天然磁石和磁铁指南，并制作了“司南”和指南针。
汉族先民很早就发明了历法。相传先秦有黄帝历、瑞顼历、夏历、殷历、周历、鲁历。合称“古六历”。夏历又称“夏正”，以正月为岁首。殷历又称“殷正”以12月为首。周历又称“周正”，以11月为岁首。秦用瑞顼历，以10月为岁首。汉以来，有太初历、三统历、四分历、乾象历、太明历、戍寅元历、大衍历、12气历、统天历、授时历、时宪历、天历等。这些历法当中，除北宋沈括创制的“12气历”和太平天国颁行的“天历”是阳历外，其它历法都是阴阳合历。直到今天，汉族仍然习惯使用传统的阴阳合历，同时使用世界大多数国家通用的公历。