春秋时期是中国天文学从一般观察到数量化观察的过渡阶段。
《礼记·月令》虽是战国晚期的作品，但据近人考证，它所反映的天象是公元前600年左右的现象，因而代表了春秋中叶的天文学水平。它是在二十八宿产生以后，以二十八宿为参照物，给出每月月初的昏旦中星和太阳所在的位置，它所反映的天文学水平要比《夏小正》所谈到的高得多。
同时，记录春秋历史的还有《春秋》和《左传》，这两本书都载有丰富的天文资料。从鲁隐公元年到鲁哀公十四年的242年中，记录了37次日食，现在已经证明其中32次是准确可靠的。鲁庄公七年“夏四月辛卯夜，恒星不见。夜中，星陨如雨”，这是对天琴座流星雨的最早记载。鲁文公十四年“秋七月，有星孛入于北斗”，这应该是关于哈雷彗星的最早记录。
大概在春秋中叶，我国已开始用土圭来观测日影长短的变化，用来测定冬至和夏至的日期。那时把冬至叫做“日南至”，以有日南至之月为“春王正月”。
中国科学史专家钱宝琮通过研究认为，《左传》里有两次“日南至”的记载，其间间距为133年。在这133年中，记录闰月4日次，失闰1次，共计应有49个闰月，刚好符合“19年7闰”。
在汉武帝改历以前，中国主要有6种历法，即黄帝历、颛顼历、夏历、殷历、周历、鲁历，这6种历法都是四分历，6种历法之所以有不同的名称或因行用的地区不同，或因采用的岁首不同，名称并不代表时间的先后，它们大概都是战国时期创制的。因为战国时期的四分历采用一年为365.25日，而这也正是太阳在天球上移动一周所需的时间，所以中国古代也就规定圆周为365.25度。太阳每天移动一度，这个规定构成中国古代天文学体系的一个特点。
随着观测资料和观测经验的积累，战国时期已有了天文学的专门著作，齐国的甘德著有《天文星占》八卷，魏国的石申著有《天文》八卷。这些书虽然都属于占星术的东西，但其中也包含着关于行星运行和恒星位置的知识，所谓《石氏星经》即来源于此。
春秋战国时期，各诸侯国都在自己的王公即位之初改变年号，因此各国纪年极其混乱，这对各诸侯国的政治经济、文化交流十分不便。这时，有人设计出一种只同天象联系，而与人间社会变迁无关的纪年方法，这就是岁星纪年法。岁星即木星，古人认为它的恒周期是12年。因此，若将黄、赤道带分成12个部分，称为12次，则木星每年行经1次。这样，就可以用木星每年行经的星次来纪年。岁星纪年法后来不断演变，到汉以后就发展成为干支纪年法。
战国时期的巨大社会变革和百家争鸣的局面促进了天文理论的发展，此时关于气是万物本原的观念影响到天文学理论的许多方面。
这期间的许多著作中都涉及到了天文学的内容，如《庄子·天运》和《楚辞·天问》提出了一系列问题，而且问得很深刻。例如有这样两个具有典型意义的问题：宇宙的结构怎样？天地是怎样形成的？
为了回答第一个问题，出现了盖天说，先是认为“天圆如张盖，地方如棋局”，后来又改进成为“天似盖笠，地法覆磐”。关于第二个问题，从老子的《道德经》和屈原的《天问》中所述及的内容来看，大概在战国时代已有了回答，然而明确而全面的记载始见于汉代的《淮南子》。《淮南子·天文训》一开头就讲天地的起源和演化问题，认为天地未分以前，混沌既分之后，轻清者上升为天，重浊者凝结为地；天为阳气，地为阴气，二气相互作用，产生万物。《淮南子》这部著作，不但汇集了中国上古天文学的大量知识，而且第一次把天文学作为一个重要的知识部门，专立了一章来叙述，把乐律和计量标准附在其中，这种编排方式对后来的著作有一定影响。
战国以后，与农业生产有密切关系的二十四节气逐步形成，关于二十四节气的完整名称始见于《淮南子》。二十四节气，简称“气”，这是中国古代历法的阳历成分，而“朔”则是中国古代历法的阴历成分，气和朔相配合构成中国传统的阴阳历。
秦统一中国以后在全国很多领域做了规定，他颁行统一的历法——颛顼历。颛顼历行用夏正，以十月为岁首，岁终置闰，以甲寅年正月甲寅朔旦立春为历元，在历元这一天，日月五星同时晨出东方。汉承秦制，一直将颛顼历沿用到太初年间。
从汉初到汉武帝，经过了100年的休养生息以后，为了适应农业、手工业和商业的发展，汉武帝采取许多重要措施，这些措施当中包括历法改革。汉武帝于公元前104年5月颁行邓平、落下闳等人创制的新历，并改这一年的年号为太初元年，新历因而又叫《太初历》。
《太初历》是中国第一部有完整文字记载的历法，它的朔望月和回归年的数据虽然没有四分历精确，但它的进步很大，主要表现在这几个方面：以正月为岁首，以没有中气的月份为闰月，使月份与季节配合得更合理；将行星的会合周期测得很准，如水星为11587日，比今天的测值只小0.01日；采用135个月的交食周期，一个周期中太阳通过黄白交点23次，即1食年为346.66日，比今天的测值大了不到0.04日。
由于太初历的回归年和朔望月的数值偏大，《太初历》用了188年以后，长期积累的误差就非常巨大了，于是在东汉元和二年弃《太初历》改用《四分历》，这时使用的回归年长度虽和古代的四分历相同，仍为365.25日，但在其他方面则大为进步。
在《四分历》的形成阶段，贾逵大力宣传民间天文学家傅安从黄道测定二十八宿的距度和日月的运行的做法，并果断地把冬至点从古四分历的牵牛初度移到斗21.25度，这是祖冲之发现岁差的前导。贾逵还证实了月球运动的速度是不均匀的，月球的近地点移动很快，每月移动3度多。为表示这种变化，他提出“九道术”，企图用9条月道来表示这种运动。
东汉末年，刘洪在《乾象历》中第一次把回归年的尾数降到1/4以下，这样一回归年就成为365.2462日，并且确定了黄白交角和月球在一个近点月内每日的实行度数，使朔望和日月食的计算都前进了一大步。《乾象历》还是第一部传世的载有定朔算法的历法。
东汉时代，中国出现了一位天才的科学家，他就是张衡。他以发明候风地动仪闻名于世；在天文学方面，他是浑天说的代表人物，主张“天圆如弹丸，地如卵中黄”；他在耿寿昌所发明的浑象的基础上，制成漏水转浑天仪并用来演示他的学说，他成为中国水运仪器传统的始祖。
除了盖天说和浑天说以外，比张衡略早的郗萌还提出了宣夜说，这个学说认为世界上并没有一个硬壳式的天存在，宇宙是无限的，空间到处有气存在，天体都漂浮在气中，它们的运动也是受气制约的。
两汉时期对天象观察非常细致和精密，令人叹为观止。1973年，在湖南长沙三号汉墓出土的帛书中有关于行星的8000字和29幅彗星图的《五星占》。《五星占》中列有金星、木星和土星在70年间的位置，而彗星图的画法显示了当时已观测到彗头、彗核和彗尾，而彗头和彗尾还有不同的类型。
《汉书·五行志》记载了征和四年日食的全过程，有太阳的视位置，有食分，有初亏和复圆时刻，有亏、复方位，非常具体，而河平元年关于日面黑子的记载，则是全世界关于太阳黑子最早的记录。《汉书·天文志》说：“元光元年六月，客星见于房”，这正是希腊天文学家喜帕恰斯观察到的新星，但喜帕恰斯没有留下关于时间和方位的记载，《汉书·天文志》的记载比他更进了一步。自汉代以来，关于奇异天象的记录非常详细和丰富，这构成中国古代天文学体系的又一特色。
总之，到汉代为止，中国古代天文学的各项内容大体完备，一个富有特色的体系已经建立起来。