西漢到五代是中國古代天文學的發展、完善時期。從太初曆到符天曆，中國曆法在編排日曆以外，又增添了節氣、朔望、置閏、交食和計時等多項專門內容，體系愈加完善，數據愈加精密，並不斷發明新的觀測手段和計算方法。 比如，南北朝時的姜岌，以月食位置來準確地推算太陽位置。隋朝劉焯在皇極曆中，用等間距二次差內插法來處理日、月運動的不均勻性。唐代一行的大衍曆，顯示了中國古代曆法已完全成熟，它記載在《新唐書·歷志》，按內容分為七篇，其結構被後世曆法所效仿。
西漢落下閎〔hong虹〕以後，渾儀的功能隨著環的增加而增加，到唐代李淳風時，已能用一架渾儀同時測出天體的赤道坐標、黃道坐標和白道坐標。天文儀器是測定曆法所需數據和檢驗曆法優劣的工具，它的改良也促進了天文觀測的進步，歲差和日月行星不均勻性等發現都先後引入曆法計算。除了不斷提高恆星位置測量精度外，天文官員們還特別留心記錄奇異天象發生的位置和時間，其實後者才是朝廷帝王更為關心的內容。這個傳統成為中國古代天文學的一大特色。
中國古代三種主要的宇宙觀，起源於春秋戰國的百家爭鳴。秦以後的1000多年中，在它們的基礎上又派生出許多支系，後來渾天說以其解釋天象的優勢，取代了蓋天說而上升為主導觀念。