我們的祖先很早就關心宇宙的結構問題，並一直進行著探索，提出了各種各樣的構想，以試圖對所看到的天文現象給予解說。「杞人憂天」的故事反映的就是人們對這個問題的關心和一種解答。「杞人憂天」的故事記載在《列子》中，說的是杞國(今河南、山東接壤一帶)有一個人，聽說天是無限高遠的空間，日月星辰都在天空中飄浮著，他擔心日月星辰會掉下來，打壞莊稼砸死人，甚至怕大地也會陷下去。為此，他整天憂心忡忡，愁得吃不下飯，睡不著覺，不知如何是好。有一個好心人擔心他愁壞了身體，便拉著他去問懂得天地道理的人，給他解釋說，天是氣體結合而成的，到處都充滿了氣體。日月星辰也是氣體構成的，只是它們會發光而已，即使掉下來，還是氣落到氣中，不會有什麼損傷的。而地是固體的，到處都塞滿了，是不會壞的。於是，杞人轉憂為喜。
這裡說的，其實是一種關於天為什麼不墜，地為什麼不陷的看法。關於這個問題，先秦時還有很多看法，例如有四隻鱉足撐著天、海龜馱著地的神話傳說，諸子百家中提出的水浮說、氣舉說、運動說等。及至漢代，則形成了「言天三家：一曰蓋天，二曰宣夜，三曰渾天」(《晉書·天文志》)。
蓋天說在西周時就已經提出，認為「天圓如張蓋，地平如棋局」(《晉書·天文志》)。也就是說天是圓的，地是方的，現在人們在北京天壇圜丘所看到的布局，就是這種天圓地方思想的反映。戰國時期蓋天說又修改為「天似蓋笠，地法覆盤」(《晉書·天文志》)，即天像蓋在上面的斗笠，地像倒扣著的盤子。到了漢代，蓋天說又有進一步的發展。成書於公元前1世紀的《周髀〔bi壁〕算經》就是這一學說的代表作。它用繁雜的數字計算和勾股定理，來論證天是半圓形的，地是拱形的，日月星辰附著天而平轉，不能轉到地的下面，並使這一學說系統化和數學化。
宣夜說的起源已無從得知。這一學說認為，「天了無質，仰而瞻之，高遠無極」，「日月眾星，自然浮生虛空之中，其行其止皆須氣焉」(《晉書·天文志》)。也就是說，並不存在一個有形質的天殼，天是無形無體、無邊無際的。 日月星辰在廣闊無垠的空間中的分布和運動是隨其自然的，它們並不附著在有形質的東西上面，而是依各自的特性，在氣的作用下，懸浮於空中，運行於空中。這一學說包含有宇宙無限的思想，而且其所描繪的日月星辰的運動圖景比較接近於我們今天所認識的宇宙，但因它長期停留在思辨的認識上，沒能對天體的運動進行具體的分析和說明，所以對後世的影響遠不如渾天說。
渾天說起源於戰國時期，到了漢代有很大的發展，漸為人們所接受。東漢科學家張衡是渾天說的集大成者，他的著作《渾天儀注》便是渾天說的代表作。書中指出：「渾天如雞子。天體圓如彈丸，地如雞子中黃，孤居於內，天大而地小。天表裡有水，天之包地，猶殼之裹黃。天地各乘氣而立，載水而浮。」也就是把天看成一個渾圓的殼，而地是居於天殼中間的一個圓球。渾天說還認為日月星辰綴在天殼之上，隨天殼繞著穿過南北天極的軸轉動，是一種以地球為中心的宇宙結構理論。這三種宇宙結構理論後來都有人繼承和發展，但以渾天說的影響最大，居於古代宇宙理論的主導地位。