天文學思想是對天文學家的思維邏輯和研究方法長期起主導作用的一種意識。在中國古代，它同統治中國思想界的儒家思想，以及與之互相滲透的佛教、道教思想都有著密切的聯係。天空區劃、星官命名、星占術的理論和方法、編製曆法的原理、宇宙結構的探討等等，無不受其支配，從而形成一套帶有鮮明特色的中國古代天文學。
泛神論無疑是人們最早產生的一種意識，天地山川、風雹雨電，乃至樹木花草都有神，而其中以天神最為崇高，主宰一切，它以無聲的巨力改變著天空景象。季節交替，草木榮枯，動物回歸出沒是這樣有節奏地變化，原始時代的人們既無知識能去解釋自然，更無力量征服自然，這種崇拜意識的產生是可以理解的。但是，正是這種意識成了星占術得以產生和流行的思想基礎。而中國奴隸製和封建製的統治者都聲稱他們是天子，是替天行道的，為了上承天意，下達民情，必須有一套破釋天意的秘訣，這就成了中國星占術產生的社會基礎。
中國星占術有三大理論支柱，這就是天人感應論、陰陽五行說和分野說。天人感應論認為天象與人事密切相關，所謂“天垂象，見吉凶”，“觀乎天文以察時變”(易經)。陰陽五行說把陰陽和五行二類樸素自然觀與天象變化和“天命論”聯係起來，以為天象的變化乃陰陽作用而生，王朝更替相應於五德循環。分野說是將天區與地域建立聯係，發生於某一天區的天象對應於某一地域的事變。這些理論和方法的建立，決定了中國星占術的政治意味和宮廷星占性質。正由於這種星占術在政權活動中的重要作用，天象觀察就成了官方必須堅持的日常活動，這造就了中國古代天文學的官辦性質，從而有巨大的財力和物力保證，促使天象觀察和天文儀器研製得以發展。
在具有原始意味的天神崇拜和唯心主義的星占術流行的時代，甚至在占主導地位的時候，反天命論的一些唯物主義思想也在發展，那些美麗的神話傳說，如“開天辟地”、“後羿射日”、“嫦娥奔月”等都反映了人們力圖征服自然改造自然的向往和追求。後來，不少思想家提出了反天命、反天人感應的觀點，如“天行有常，不為堯存、不為桀亡”(《荀子·天論》)、“天人交相勝，還相用”(《劉禹錫·天論》)、“天地與人，了不相關”(王安石語，引自《司馬溫公傳家集》)等等，這些健康思想指導人們在探求天體本身的規律，研討與神無關的客觀的宇宙。
曆法作為中國古代天文學的基本內容，它反映了中國古代天文學的實用性和實踐第一思想。這兩點也是中國古代科學共同的特色。中國天文學家通過觀察和計算尋找天體運動的規律，並以符合這些規律作為製定曆法的指導思想。“曆之驗，本在於天”(《後漢書·律曆誌》)，“曆法疏密，驗在交食”(《元史·曆誌》)。為了使曆法符合天象，遂有不斷改曆，改曆的過程是使曆法精密化的過程。中國天文學家運用特有的代數學方法，如調日法、內插法、剩餘定理、逐步逼近等方法，解決了編製曆法，預告天體位置，日月交食等任務，並以實際天象作出檢驗，滿足了人民對農時季節的需要，也在認識天體運動規律方麵做出了貢獻。
關於天地關係、宇宙的結構，自古就引起人們的思考，在原始的“天高地厚”認識之後又出現了多種說法，最後以蓋天說與渾天說的爭論最為持久。在長期爭論中，以實際天象作為檢驗的唯物主義思想原則再次得到了尊重。由於渾天說不借人為的假說就能很完滿地解釋一些基本天象，因而為多數人和曆法家們所接受；而蓋天說的天動地靜、天在上地在下的觀點為天命觀所利用，成為天尊地卑、君高臣低等儒家倫理觀點的依據，長期占據統治地位而被流傳下來。盡管與傳統的地靜觀點相反，中國古代也有大量地動觀點的記載，但這一觀點始終未能得到發展。這反映了各種思想意識對科學探索的影響。
在恒星命名和天空區劃方麵，各種思想意識的影響就更加明顯。古代星名中有一部分是生產生活用具和一些物質名詞，如鬥、箕、畢(捕鳥的網)、杵、臼、斛、侖、廩(糧倉)、津(渡口)、龜、鱉、魚、狗、人、子、孫等等，這可能是早期的產物。大量的古星名是人間社會裏各種官階、人物、國家的名稱，可能是隨著奴隸製和封建製的建立和完善，以及諸侯割據的局麵而逐漸形成的。天空區劃的三垣二十八宿，其二十八宿的名稱與三垣名稱顯然是二種體係，它們所占天區的位置也不同。這都反映了不同的思想意識的影響。
應該提及的是中國古代天文學家探求原理的思想。西方耶穌會傳教士入華以後，為了站穩腳跟以達到傳教的目的，一方麵介紹一些西方科學知識，一方麵否定中國的傳統科學。有一種說法認為中國古代天文學隻求知其然，不求知其所以然，而一些有崇西非中思想的人也附合這種看法。其實這是一種偏見，中國古代科學很早就努力探索天體運動的原理。孟子曰：“天之高也，星辰之遠也，苟求其故，千歲之日至可坐而致也。”苟求其故就是探求所以然的思想，這一思想不斷被後來的學者所接受，如沈括對不是每次朔都發生食的解釋，郭守敬對日月運動追求三次差四次差的改正，明清學者對中西會通的研究，都體現了苟求其故的思想。