中国古代典籍中保存有世界最丰富最精确的天文现象观测记录。公元16世纪以前中国天文学的这一领先地位，是世界公认的。
中国历史上的日食记录，有约1100次之多。商代的甲骨文中已经可以看到这样的内容：
癸酉贞日夕又食，佳若？癸酉贞日夕又食，非若？
意思是说：癸酉日占，黄昏有日食，是吉利的吗？癸酉日占，黄昏有日食，是不吉利的吗？汉代日食的观测记录，已经详尽到日食时太阳的方向、初亏和复圆的时刻以及亏起方向。例如：“征和四年八月辛酉晦，日有食之，不尽如钩，在亢二度；晡时食从西北，日下晡时复。”关于彗星以及和彗星相联系的流星雨，史籍中也有丰富的记录。现在世界公认最早的太阳黑子记录是《汉书·五行志下之下》中所谓：“（成帝河平元年）三月乙未，日出黄，有黑气大如钱，居日中央。”与太阳黑子活动有联系的极光现象，当时也有明确的记录，《汉书·天文志》：“孝成建始元年九月戊子，有流星出文昌，色白，光烛地，长可四丈，大一围，动摇如龙蛇形。有顷，长可五六丈，大四围所，诎折委曲，贯紫宫西，在斗西北子亥间。后诎如环，北方不合，留一刻所。”
中国古代天文学的成就，还体现在天象观测仪器的制作以及星图、星表的编制上。汉武帝颁定太初历前后，落下闳改进了浑仪，并以此重新测量了二十八宿的距度。汉宣帝时，耿寿昌用铜材制成用以演示天象的仪器——浑象。东汉时，张衡还制成了水运浑象。大约在西周时期，已经将太阳和月亮所经天区的恒星分为二十八宿。战国时，甘德著《天文星占》八卷，石申著《天文》八卷，分别记载了许多恒星的位置，这是世界上最早的星表。《晋书·天文志》记载，孙吴、西晋的太史令陈卓综合前人的认识，“总甘、石、巫咸三家所著星图”，绘制了圆型盖天式星图，洛阳西汉壁画墓以及山西平陆枣园村东汉墓中，都曾发现汉代的星图。
中国古代在气象学方面也有引人注目的成就。殷墟甲骨文中，已经多有占问阴晴雨雪的卜辞。在春秋战国时期的文献中，已经可以了解当时二十四节气的确定，分至启闭定期风云的记录和对桃李开花、候鸟往来的观察。《吕氏春秋》《夏小正》《礼记·月令》等，是世界上最早讲物候的几本书。自西汉以后，关于特殊的气候，如大旱、大水、大寒、霜、雪、冰、雹等记载不但继续增加，而且记录的地域范围也不断扩大。除了观测范围的推广和深入以外，在气象仪器的创造和应用、各种天气现象的理论解释等方面，也体现出气象学的发展。直到明代以前，中国人在气象学方面的认识，许多地方都是超越西洋各国的。
在《史记·天官书》中，天文和气象是混为一谈的，其规律称作“天数”，其异象称作“天变”。
不能否认，中国古代天文学与气象学的发展，与它们为政治权力服务的特殊功用有关。气象学的早期发展当然直接与农业经济的进步相联系，可是因天时影响，“岁熟”“有年”都被看作天神对于现政权的佑护，而水、旱、风、雹等天灾导致的“岁饥”，都被看作天神对于现政权的惩戒。
《史记·天官书》司马贞《索隐》解释“天官”二字时说：“天文有五官。官者，星官也。星座有尊卑，若人之官曹列位，故曰天官。”天文实际上与人文相应。《史记·天官书》中这样记述天星中的至尊：
中宫天极星，其一明者，太一常居也；旁三星三公，或曰子属。后句四星，末大星正妃，余三星后宫之属也。环之匡卫十二星，藩臣。皆曰紫宫。
而“北斗七星，所谓‘旋、玑、玉衡以齐七政’”，“斗为帝车，运于中央，临制四乡。分阴阳，建四时，均五行，移节度，定诸纪，皆系于斗。”紫宫“后六星绝汉抵营室，曰阁道”。秦始皇营建宫庙，就仿象天上星列，“焉作信宫渭南，已更命信宫为极庙，象天极”，又“为复道，自阿房渡渭，属之咸阳，以象天极阁道绝汉抵营室也”。汉长安城的设计规划，也有人认为是仿象星斗，于是称其为“斗城”。
按照《汉书·天文志》的说法，所谓“天变”者，都是人文现象的反映，“其本在地，而上发于天”：
凡天文在图籍昭昭可知者，经星常宿中外官凡百一十八名，积数七百八十三星，皆有州国官宫物类之象。其伏见蚤晚，邪正存亡，虚实阔，及五星所行，合散犯守，陵历斗食，彗孛飞流，日月薄食，晕适背穴，抱珥虹昤，迅雷风祆，怪云变气：此皆阴阳之精，其本在地，而上发于天者也。
天象可以警示政治之失：
政失于此，则变见于彼，犹景之象形，乡之应声。是以明君睹之而寤，饬身正事，思其咎谢，则祸除而福至，自然之符也。
天变与世间政事相应，就像影之象形，响之应声。政治家观星望气，可以及时纠正政治的失误。
所谓“天垂象，见吉凶，圣人象之”，“天垂象”，“取法于天”，“天垂象”，“圣人则之”，并非仅仅指据天象修正政治的情形，史籍中更多见的是依据天象进行政治预测的大量事例。
例如，《汉书·天文志》中就有这样的记述：
孝惠二年，天开东北，广十余丈，长二十余丈。地动，阴有余；天裂，阳不足；皆下盛强将害上之变也。其后有吕氏之乱。
（孝武建元）六年，荧惑守舆鬼。占曰：“为火变，有丧。”是岁高园有火灾，窦太后崩。
元鼎中，荧惑守南斗。占曰：“荧惑所守，为乱贼丧兵；守之久，其国绝祀。南斗，越分也。”其后越相吕嘉杀其王及太后，汉兵诛之，灭其国。
太初中，星孛于招摇。《星传》曰：“客星守招摇，蛮夷有乱，民死君。”其后汉兵击大宛，斩其王。招摇，远夷之分也。
（孝昭元平元年）三月丙戌，流星出翼、轸东北，干太微，入紫宫。始出小，且入大，有光。入有顷，声如雷，三鸣止。占曰：“流星入紫宫，天下大凶。”其四月癸未，宫车晏驾。
（孝宣）黄龙元年三月，客星居王梁东北可九尺，长丈余，西指，出阁道间，至紫宫。其十二月，宫车晏驾。
（孝成）绥和元年正月辛未，有流星从东南入北斗，长数十丈，二刻所息。占曰：“大臣有系者。”其年十一月庚子，定陵侯淳于长坐执左道下狱死。
上文说到的孝成建始元年九月戊子关于极光现象的记录：“有流星出文昌，色白，光烛地”，占曰：“文昌为上将贵相。”相应的政治现象是：“是时帝舅王凤为大将军，其后宣帝舅子王商为丞相，皆贵重任政。凤妒商，谮而罢之。商自杀，亲属皆废黜。”
在当时人看来，天变的启示，“未有不先形见而应随之者也。”天文占、气象占作为占验政治前途的一种方技，也成为政治学术中备受宠用的一流。司马迁说：“星气之书，多杂禨祥，不经；推其文，考其应，不殊。”帝王往往虽内心仍半信半疑，表面上却不得不对“候星者”“望气者”虔诚敬事。除了“公车方士、太史治星望气”之外，从事政治预测的专业人员“候星者”“望气者”们的意见对于政治决策有重要的影响。
长沙马王堆汉墓出土的帛书《五星占》和《天文气象杂占》，应当就是司马迁所谓“星气之书”的实物遗存。《五星占》占文部分保存了甘氏和石氏天文书的一部分，末尾列出了从秦始皇元年到汉文帝三年70年间木星、土星和金星的位置，并描述了三颗行星在这一会合周期内的动态。《天文气象杂占》，内容用以从天文、气象占验吉凶，大致可分云、气、星、彗四个方面。其中占文多涉及军事，如：
云如此，战胜。
□□又（有）兵车至。
天觉出，天下起兵而无成，十岁乃已。
军兴，大败。
攻城入之。
是是蒿彗，兵起，军几（饥）。
围邦见日月军（晕）中有白云出，城降，兵不用。
九月上丙，候日旁见交赤云，下有兵起。
等等。也有关于国家政事的内容，例如：
天子立。
又（有）柏（霸）者。
又（有）王者。
不出一月，又（有）使至。
赤虹冬出，主□□不利人主。白虹出，邦君死之。
圣王出，霸。
贤人动。
白灌见，五日，邦有反者。
蒲彗，天下疾。
蒲彗星，邦疢，多死者。
是是竹彗，人主有死者。
小人代为王。
翟星，出日春见岁孰（熟），夏见旱，秋见水，冬见□。
邦君争立，唯日所当。
邦君得祀。
赤日黑日皆出，大盗得。
日有珥，邦君有行。有行而珥，行不成。
有云刾（刺）月，当者邦君式（弑）死。
赤日出，岁孰（熟）。
日出赤云□之，岁几（饥）。
彗星出所，其邦亡。
等等。可见，候星望气之术服务的主要对象，是王、霸、邦君、贤人等政治活动家。
候星、望气之术由于可以预见政治兴亡，受到执政者的特别重视。传说远古掌管历时星象的官羲氏和氏，因失职未能及时预报星变竟被处以死刑。《尚书·胤征》：“乃季秋月朔，辰弗集于房，瞽秦鼓，啬夫驰，庶人走。羲和尸厥官，罔闻知，昏迷于天象，以干先王之诛。政典云：先时者杀无赦，不及时者杀无赦。”明代律目中，也明确有“失占天象”条。不过，许多帝王对于候星望气亦未必深信。《史记·秦始皇本纪》：
秦法，不得兼方，不验，辄死。然候星气者至三百人，皆良士，畏忌讳谀，不敢端言其过。
这一方面透露出帝王内心的疑虑，一方面表明星气之学最终只能是现世政治权力驯良的仆从这一事实。
执政者往往都千方百计地利用对天变的解释来维护并力图扩大自己的政治权力。《汉书·天文志》记述，汉哀帝建平二年，“彗星出牵牛七十余日。传曰：‘彗所以除旧布新也。牵牛，日、月、五星所从起，历数之元，三正之始。彗而出之，改更之象也。其出久者，为其事大也。’其六月甲子，夏贺良等建言当改元易号，增漏刻。诏书改建平二年为太初元年，号曰陈圣刘太平皇帝，刻漏以百二十为度”，“其后卒有王莽篡国之祸。”据《汉书·李寻传》，“初，成帝时，齐人甘忠可诈造《天官历》、《包元太平经》十二卷，以言‘汉家逢天地之大终，当更受命于天’”，并以此教授夏贺良等，夏贺良等于是向汉哀帝反复陈说“汉历中衰，当更受命”，“今陛下久疾，变异屡数，天所以谴告人也”。在为王莽篡政进行政治准备的过程中，很可能也利用了彗星出现这一“改更之象”。另一方面，当对于天变的理解不利于执政者时，往往严加禁绝。汉代称之为“左道”，唐代称之为“祅言”，执“左道”及造“祅言”者均处以极刑。于是史载有“术士妄谈禄命，陷于大戮”者。元世祖至元三年十一月，诏禁天文图谶等书。元英宗至治元年五月，因益都、胶州饥，霸州蝗，“太白犯鬼积尸气，太阴犯轩辕”，“太阴犯明堂”，又“濮州大饥”，于是“禁日者毋交通诸王、驸马，掌阴阳五科者毋泄占候”。六月又有“日有食之”，“泾州雨雹”，“太阴犯虚梁”，“滁州霖雨伤稼”，“太白经天”等天变，“仍禁妄言时政”。至治二年六月，“壬申，荧惑犯心。癸酉，申禁日者妄谈天象。”星变次日，就匆匆明令禁议天象。元泰定帝泰定二年正月，“辰星犯天鸡”，乃“禁后妃、诸王、驸马，毋通星术之士，非司天官不得妄言祸福”。显然，当发生按照传统理解不利于现行统治的天变时，最高统治者往往运用行政力量将天变的公布权和解释权牢牢握在自己手中，以免危及政权的安定。