如果一个人长久地盯着夜空，他会了解到天文学（或者，如果天空太亮，那就是占星术。这是另一个话题了）。到文艺复兴时，研究空间物体的天文学既不是一门科学，也不会让人特别想去学习它；直到1543年尼古拉·哥白尼发表了关于太阳系的日心说。伽利略使用望远镜这一新奇迹对哥白尼的理论加以辩护、修正和扩展。“科学革命”的关键人物约翰尼斯·开普勒紧接着设计了一个数学系统，详细介绍了行星的运动。几十年后，牛顿使用他发明的反射望远镜，依靠太空力学的发展和万有引力定律，研究出了力学。

天文学的重大进展通常都伴随着新技术的采用，当研究无限的空间时，它能帮助人们看到更多更远的事物，或者看到其他范围内的事物。越来越先进的望远镜让威廉·赫歇尔创作了星云和星团的详细目录，同时在1781年“发现了”天王星。1838年，德国人弗里德里希·贝塞尔第一次设法测量了到一颗恒星（61 天鹅座）的距离。光谱仪和摄影技术推动了天文知识向前发展，尤其是当科学家认识到其他的恒星在组成方面和太阳很相似，比如各种各样的团块，温度和大小。

直到20世纪早期，天文学家才最终认识到我们的系统只是银河系（也就是“银河”）的一部分，银河系里还漂浮着很多其他星系。通过使用各种神秘难懂的望远镜，人们发现在这些星系里面和星系之间有各种各样奇异的东西，比如类星体、脉冲星、燃烧体、射电星系、黑洞、中子星等，甚至还有些在太空里绕地球旋转，人为污染并不会影响人们对太空夜空的学术观察。