秦末到宋初时，中国古代天文学的体系已经完成形成，此时天文学在稳定的基础上继续向前顺利发展着，在历法、仪器、宇宙理论等方面都有不少的创新。
三国时魏国杨伟创制了《景初历》，发现黄白交点有移动，并发明推算日月食食分和初亏方位角的方法。杨伟的这些发现对于推算日月食有很大帮助。吴国陈卓把战国秦汉以来石氏、甘氏、巫氏三家所命名的星官总括成一个体系，共计283星官、1464星，并著录成图。陈卓的星官体系沿用了1000多年，直到明末才有新的发展。葛衡在浑象的基础上发明浑天象，它是今日天象仪的祖先。浑天象是在浑象的中心，放一块平板或小圆球来代表地，当浑象绕轴旋转时，地在中央不动，这就更形象地表现了浑天说。
后秦姜岌创制了《三纪甲子元历》，历法以月食来确定太阳的位置，大大提高了观测的准确性。他还发现，日出日落时日光呈暗红色是地面游气的作用；天顶游气少，故中午时光耀色白，这是对大气选择吸收认识的开端。
东晋虞喜发现岁差，南朝祖冲之将岁差引进历法，从而把恒星年与回归年区别开来，这是一大进步。祖冲之测定一个交点月的日数为27.21223，同今测值只差1/100000，堪称精确。
在祖冲之之前有一位天文学家名何承天，他进行了长期观测，利用调日法求得更精密的朔望月数值，这种方法是天文学的一大进步。所谓调日法，即用某数的过剩分数近似值和不足分数近似值来求得精确的分数近似值。
祖冲之之子继承父业，精通天文。他发现过去人们当做北极星的“纽星”已去极1度有余，从而证明天球北极常在移动，古今极星不同。
北齐张子信致力于天文观测30多年，他有一些新的发现：太阳和行星的运动也不均匀；合朔时月在黄道南或黄道北，会影响到日食是否发生，而月食则没有这一现象。张子信的这些发现导致隋唐时期天文学的飞跃发展。
隋统一中国以后，首先使用的是张宾的《开皇历》，但《开皇历》粗疏简陋，经过激烈争论后，从开皇十七年起改用张胄玄的历法，张胄玄的历法又于大业四年修改，名《大业历》。《大业历》考虑到张子信关于行星运动不均匀性的发现，利用等差级数求和的办法来编制一个会合周期中的行星位置表，对行星运行的计算又提高了一步。
在《大业历》使用过程中，刘焯于公元604年完成《皇极历》，用等间距二次差内插法来处理日、月的不均匀运动，这个方法成为中国天文学的一个特点。刘焯还建议，发动一次大规模的大地测量来否定“日影千里差一寸”的传统说法，对这种说法何承天早已表示怀疑，但由于隋炀帝的穷奢极欲，腐朽昏庸，刘焯的合理建议连同他的《皇极历》都未被接受。
唐朝出现了贞观之治、开元之治的兴盛局面，为天文学的大发展创造了良好的条件。
贞观七年，李淳风制成浑天黄道仪，把中国观测用的浑仪发展到极为精密的程度，在过去的固定环组和可运转的环组之间，又加了一个三辰仪。三辰仪由相互交错的三个圆环（白道环、黄道环、赤道环）组成，这样在观测时就可以从仪器上直接读出天体的赤道坐标、黄道坐标和白道坐标三种数据。
李淳风在天文学上的另一重大成就是以《皇极历》为基础制成《麟德历》，于唐高宗麟德二年颁行。《麟德历》采用定朔安捧日用历谱，即不但在计算日月食时要考虑日月运行不均匀性的问题，而且在安排日历时也考虑进去。实际上，这个办法何承天早已提出，但由于顽固势力的阻挠，经过200多年的斗争，至此才取得胜利。《麟德历》还废除了闰周，完全依靠观测和统计来求得回归年和朔望月的精密数据。
现在英国伦敦博物馆保存的敦煌卷子中有一卷星图，这些星图可能与李淳风有关，因为在星图的前面还有48条气象杂占，每条都是上图下文，在第十五条下有“臣淳风言”的字样。
开元十三年，一行和梁令瓒把张衡的水运浑象加以改进。他们把浑象放在木柜子里，一半露在外面，一半藏在柜内，在柜面上有两个木人分立在浑象两旁，一个每刻击鼓，一个每辰敲钟，按时自动，这可以说是人类历史上最早的自鸣钟，它的名字叫“开元水运浑天俯视图”。
在制造浑象以前，他们还造了一架黄道游仪。这架黄道游仪是在李淳风浑天黄道仪的基础上，把三辰仪中的赤道环打了孔，使黄道可以沿赤道移动，以改正岁差。一行利用这架仪器，观测了150多颗恒星的位置，发现前代星图、星表和浑象上所载的恒星位置有很大变化，当时一行对此未做解释。现在知道，这些变化主要是由岁差引起的。
在观测恒星的同时，一行派南宫说等人分别到11个地方测量北极的地平高度和春分、秋分、夏至、冬至日正午时圭表的日影长度。南宫说在河南的滑县、开封、扶沟、上蔡4个地方分别测量了日影长度和北极高度，并且在地面上测量了这4个地方的距离。结果发现，从滑县到上蔡的距离只有526.9唐里，但夏至时日影相差2.1寸，这一实际测量的结果彻底推翻了“日影千里差一寸”的传统说法。不仅如此，一行还把南宫说和其他人在别的地方观测的结果相比较，进一步发现影差和南北距离的关系根本不是成比例的，于是他改用北极高度的差计算出地上南北相去351.27唐里，北极高度相差1度。这个数值虽然误差很大，却是世界上第一次对子午线进行的实测，更重要的是，一行从方法论上批判了前人计算天的大小的错误。
一行质问：“宇宙之广，岂若是乎？”这种对方法论的批判刹住了计算宇宙大小的风气，并使文学家柳宗元受到了影响。柳宗元在和刘禹锡的通信中曾经讨论过一行的工作，柳宗元把宇宙无限论推向新的高峰，他认为宇宙既没有边界，也没有中心：“无青无黄，无赤无黑，无中无旁，乌际乎天则！”他的意思是说，天既没有青、黄、赤、黑各种颜色之分，也没有中心和边缘之别，怎么能把它划分成几部分呢？在文中，柳宗元不但深刻地揭示了宇宙的无限性，而且明确地指出在无限的宇宙中，矛盾变化是无穷的，阴阳二气时而合在一起，时而又分离开来，有时互相吸引，有时互相排斥，就像旋转着的车轮或机械，时刻不停。
在进行了大量的观测今后，一行于开元十五年完成《大衍历》初稿，去世后，由其继承者于第二年定稿。《大衍历》以定气编太阳运动表，即以太阳在一个回归年内所行度数平分为24等分，太阳每到一个分点为一个节气，两个节气之间的时间是不等的。为了处理这个问题，一行发明了不等间距二次差内插法。在计算行星的不均匀运动时，《大衍历》使用了具有正弦函数性质的表格和含有三次差的近似的内插公式。《大衍历》把全部计算项目归纳成“步中朔”等七篇，成为后代历法的典范。
唐代后期和五代时期的历法中颇具声名的还有长庆二年颁行的《宣明历》和建中年间流行于民间的《符天历》。
徐昂的《宣明历》在日食计算方面取得了很大的成就，提出时差、气差、刻差三项改正，把因月亮周日视差而引起的改正项计算更向前推进一步。曹士苟的《符天历》废除上元积年，以10000为天文数据的分母，这两项改革大大简化了历法的计算步骤，也使这个历法在民间受到欢迎，但它被统治阶级视为“小历”，不予采用。后晋天福四年颁行的《调元历》，不采用上元积年，使用了5年，后在辽又用了40年，直到元朝的《授时历》出现，才完全实现了这两大改革。