巴比伦天文学始于公元前两千纪，是人类最早的系统化"科学"形态之一。它建立在对天体（尤其是行星与恒星）的精密观测基础上，并发展出基于日月运行周期的复杂历法。巴比伦人提出了影响后世文明天文学的关键概念，如分点岁差理论，以及预测天体运行的数学模型。这一浩瀚文明通过数千块刻有楔形文字的泥板（其中小部分涉及天文学）传承至今。
科学史家认为，美索不达米亚的天文学并非科学，因为占星术在其中占据主导地位。然而，在美索不达米亚，占星术与天文学属于同一思想领域，是同一形式的天空知识或"星体科学"。
我们所知的最古老数据来自4000年前生活在美索不达米亚的巴比伦人。他们优先测量的现象包括恒星的升起与落下（即天空中首次与末次可见性），同时也关注会合周期（天体回归相同空间构型所需的时间）。 在天文学众多规律性天象中，我们可发现日月食、月相变化、水星、金星、火星、木星、土星的运行周期、地球轨道倾角，以及行星的冲与合。 公元前1千纪上半叶，人们已掌握恒星在天空中的分布规律与流浪星（即行星）的视运动（会合周期）。
自公元前5世纪起，黄道被划分为12个30度区间，包含12个星座，大致对应我们现今的黄道十二宫。黄道带在《历书》（列出重要日期的日历）、《星盘》（根据天体事件分析出生时辰）以及《星历表》（用于确定每日行星位置的天文表）中，均作为参照系统使用。
公元前243年，尼桑努月第20日（公元前69年4月16日），第9时辰，一子降生。此时，月亮位于摩羯座末端18°，太阳位于白羊座末端30°，木星在射手座24°，金星在双子座13°，土星在水瓶座15°，火星在天秤座14°，水星尚未升起，不可见。 月落先于日出发生在第14日，最后一次月可见发生在第27日。
那一年，阿布月28日（公元前69年8月20日），在狮子座末端预期出现的日食未被观测到。乌卢卢月13日（公元前69年9月3日）日落时分，发生了一场超过三分之一盘面的月食；月亮在双鱼座升起时已处于被遮蔽状态。
在巴比伦人的重大发现中，我们找到了第一部天文表的编制，例如著名的《埃努玛·阿努·恩利尔泥板》，其中包含一系列关于日食、月食及行星位置的观测与预测记录。这些表格为后世文化的天文学家提供了重要参考。
巴比伦关于岁差的理论认为，由于地轴的运动，恒星的位置会随时间缓慢变化，这是天文学中的一个基本概念。
对月球和太阳周期的常规观测与经验测量对于历法的确定至关重要，尽管这些历法已有悠久历史。所谓的“阴阳历”体系以12个月（月相周期）为一年。这使人们能够预测月亮何时会再次出现在天空中。在此体系中，一个月为29或30天（平均而言，朔望月约为29.5天）。
公元前4千纪末，一个月为30天，一年为12个月。这一简化参照被用于进行计算。随后，根据实际观测到的年长进行调整。自公元前3千纪起，为修正计算与观测之间的差异，人们凭经验增设了一个闰月。
巴比伦占星术和天文学是希腊、拜占庭、叙利亚、中世纪穆斯林及欧洲天文学的起源。古典希腊和拉丁文献常将美索不达米亚的天文学家称为"迦勒底人"，并常将其描述为占星术及其他占卜形式的专家。
伽利略与开普勒交换的秘密是编码的 
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