天象、物候的啟發
白天，太陽高掛天際，光芒萬丈；夜晚，繁星布滿蒼穹，熠熠生輝；月亮時圓時缺，灑下柔和的月光。這種晝夜交替的現象，對遠古的人們來講也是顯而易見的。因此日（一晝夜）的概念很自然地就產生了。
缺乏人工照明的古人，對月亮的圓缺自然非常關心。月夜，四周的景物曆曆在目，無月的夜晚即使滿天星鬥也是一片漆黑。古人通過長期的觀察一定會發現，月亮從圓到缺再複圓，有明顯的周期性，大約是29天到30天，這就是一月，這一概念的建立大概也是很早的。
建立“年”的概念就不那麼容易了。舊石器時代的人們，其主要的生產活動是捕捉野獸和采集野果，他們雖然也逐漸感到草木枯榮、動物繁衍、寒來暑往等等都是具有周期性，但這樣一個周期（“年”）究竟有多少天是算不清楚的。由於他們所獲取的對象都是自生自長的，哪兒有就到哪兒去，這種狩獵和采集經濟也並不迫切的要求他們弄清“年”的長度。
大約在六七千年前，在中亞底格裏斯河和幼發拉底斯河的兩河流域，我國的黃河流域和長江中遊，埃及的尼羅河流域和南亞的印度河流域，先後進入了新石器時代，人們開始從原始的狩獵和采集經濟向原始的畜牧業和農業過、渡。牲畜的繁殖與農作物的生長都與氣候緊密相關，這要求人們必須去弄清何時該播種，何時該收藏，這種社會需要迫使原始的曆法得以產生。最早的曆法，可能是一種物候曆，即通過草木枯榮、動物回歸及寒來暑往的規律大體確定季節，它對一年有多少天，還沒有明確的數量概念。
要確切知道一年有多長，必須有一個可資起算的明顯象征。物候現象是不準確的，例如若以燕子回歸為起算點，從今年第一次見到燕子到下一次再見到燕子歸來是一年，可是每次燕子回歸的間隔很可能是不一樣長的，其差別大的可達五六天之多。這種起算點很不理想。也許，古時的人們就已經發現，樹影的長短不僅每天時刻變化，而且不同季節也不一樣。冬天的中午，太陽在南天的低空中，樹影很長；夏天的中午，太陽在頭頂上照耀，樹影很短。樹影的這種變化啟發了古人，當人們從利用天然物的影長到在地上豎立一根竿子來觀測日影的時候，認識論上的一次質的飛躍發生了。這一飛躍就是人們創製了一種最簡單的天文儀器——圭表。
最早的天文儀器——圭表
最初很可能就是在地上豎一根竿子，從竿影的變化計量時間和判斷季節，後來為了便於計量影長，幹脆在地上刻畫尺寸，如此圭表的兩部分就具備了：直立的是表，南北方向平放的尺是圭。在我國，圭表的創製年代已不可考。相傳早在3000多年前周公就在陽城（今河南省登封縣告城鎮）設立8尺高的表來測影了。
圭表不但簡單，而且可以有多種作用。例如：
1.可以定方向
方法有多種，如在平地上畫一圓圈，在圓心甲處直立一表，早晨看影端正落在圓圈上的一點，做下標記乙，傍晚再看影端又落在圓圈上的一點丙，丙乙的連線即是東西向，取丙乙的中點丁，則甲丁即為南北方向。
2.可以定節氣
中國古代曆法中都有各節氣的影長數據，說明古人曾以圭表來定節氣。其法是每日中午測表影的長度，由於太陽在正南方的地平高度逐日變化，所以每日中午的表影長度也是不同的。而中午的表影長同節氣之間有對應關係，因此隻要測得表影長度即可知道到了什麼節氣。
3.可以定回歸年的日數
中午表影的長度是一個客觀的象征，古人選擇了冬至日做為計算年的起算日，因為這一天太陽在南方天空中的地平高度最低，表影也最長，稱為“日南至”。從前一次“日南至”到下一次“日南至”的天數，就是回歸年的日數。這樣觀測到的數值隻能是整數天。由於冬至日前後表影長度的逐日變化不大，難以精確判斷，回歸年的日數也不正好是整數，所以誤差也可能有一二天之多，但古人用多年的觀測數值取平均值，從曆史上――日“日南至”，到最近的一次“日南至”之間共有多少天，經曆了多少年，這樣取平均後獲得回歸年的日數。由於所取的相隔年數往往總是幾百甚至上千年，因而大大減小。南宋時的楊忠輔（1199年）求得年長為365.2425日，同當時的回歸年值僅差20秒，可見其精度很高。
4.可以定一日內的時刻（地方真太陽時）
將圭表稍加改進，即可做成日晷，利用地球自轉引起的太陽周日視運動，可確定時刻。在圓盤的中心立一表，即為晷針，圓盤即為晷麵。在晷麵上刻劃時刻線，日影到了什麼刻線上即是某時刻。由於圭表和日晷結構簡單，用途廣泛，在我國和其他一些國家中，古代人們都建造了大量圭表和日晷，形式多種多樣。有赤道式、黃道式、地平式，也有仰式。
為了提高圭表測影的精度，我國元代天文學家郭守敬還創製了40尺高表和景符。表高了影就長，使影長的測量相對減小，但表高了表影端點的界線變得模糊，為了克服這一問題，設計了景符。它是利用小孔成象的原理，把高表頂端的橫梁像清晰地投影在圭麵上，用現在複製的景符在登封觀星台高表進行實測，結果表明影長的測量精度可達遽米左右，相當於所測太陽高度的誤差小於1角分。這可算得上古典儀器測量精度的最高水平了。
有了年、月長度的較精確數據後，編製較好的曆法便成為可能。早期天文學的研究項目除了實用的曆法之外，還有天體的位置和運動之類。為了描述天體的位置和運動，世界各民族都利用了角度的概念，相應地都創製了測角儀器。