Die Arbeit der Astronomen im Mittelalter bestand hauptsächlich in der Überlieferung, Übersetzung und Verbesserung der antiken astronomischen Schriften. Führend auf diesem Gebiet waren islamische Astronomen. Große Erneuerungen blieben zu dieser Zeit jedoch weitestgehend aus.
Die europäische Astronomie wurde erstmalig durch die Arbeiten des polnischen Astronomen Nikolaus Kopernikus wiederbelebt. Er griff die Vorstellung des heliozentrischen Weltbildes wieder auf und bewies, dass sich dieses mit allen Beobachtungen verträgt. Für eine derart revolutionäre Idee war die Welt zu Kopernikus´ Lebzeiten allerdings noch nicht Reif.
Weitere wichtige Erkenntnisse lieferte der Däne Tycho Brahe. Durch Entfernungsbestimmungen erkannte er, dass Kometen keine Erscheinungen in der Erdatmosphäre sein können, was man bis dahin annahm, sondern dass es sich um weiter entfernte, eigenständige Himmelskörper handelt. Außerdem erstellte Brahe den ersten modernen Sternkatalog mit präzisen Positionsangaben von 1005 Sternen. Das von ihm entwickelte tychonische Weltbild sollte sich jedoch als falsch heraustellen.
Einen weiteren, sehr wichtigen Beitrag zur Astronomie leistete Johannes Kepler mit den nach ihm benannten keplerschen Gesetzen zur Planetenbewegung:
Zu Beginn des 17. Jahrhunderts wurde die Astronomie durch die Erfindung des Fernrohres revolutioniert. Mit ihm konnte Galileio Galilei bis dahin unbekannte Entdeckungen machen: Die Mondgebirge, die Phasen der Venus, die großen Jupitermonde und die Auflösung der Milchstraße in einzelne Sterne. Auch Galilei war ein Verfechter des heliozentrischen Weltbildes und ging 1610 mit einer entsprechenden Arbeit an die Öffentlichkeit. Daraufhin brachte ihn die Kirche vor die Inquisition, wo man ihn aufforderte die kopernikanische "Irrlehre" nicht weiter zu verbreiten. Später wurde ihm lebenslanger Hausarrest auferlegt. Erst unter Papst Johannes Paul II. wurde Galilei von der Kirche rehabilitiert.