到西汉时期，天文学有了飞跃式进步。汉初沿用秦朝《颛顼历》，以十月为岁首。1972 年在山东临沂银雀山汉墓中发现的元光元年的历谱，是我国迄今为止发现的最早的完整历谱。根据它的推算，这个历谱与秦历法相同，证明武帝太初以前依然采用《颛顼历》。但《颛顼历》并不精确，到汉武帝时已出现了“朔晦月见，弦望满亏”的错乱现象。于是汉武帝令司马迁等改《颛顼历》而作《太初历》，以正月为岁首。由此，天文学家制定了中国第一部较为完整的历法《太初历》。还有，《淮南子》一书中，出现了关于太阳黑子的记录，“日中有鸟”就是太阳黑子的形象。《汉书·五行志》中还有两处关于太阳黑子的记载，其一，汉元帝永光元年四月，“日黑居仄，大如弹丸”，说明太阳边侧有“黑子”倾斜，形状、大小与弹丸差不多，这被世界公认为是有关太阳黑子的最早记录。其二，司平元年三月乙未（十八日），“日出黄，有黑气大如钱，居日中央”，这里已经把黑子的位置、时间都记述得十分详细。另外，马王堆汉墓出土的帛书《五星占》，其中有关于五大行星运行的记载，这是我国现存最早的天文学著作。

西汉时期，落下闳制造了浑仪，这是中国古代的一种天文观测仪器。这种仪器以浑天说为理论基础，由相应天球坐标系各基本圈的环规及瞄准器构成。西汉落下闳以后，浑仪的功能随着环的增加而增加。东汉时期，张衡从日、月、地球所处的不同位置，对月食作了最早的科学解释；张衡所发明制作的地动仪，可以遥测千里之外地震发生的方向，这比欧洲早1700 多年。到唐代李淳风，已能够用一架浑仪同时测出天体的赤道坐标、黄道坐标和白道坐标。

从西汉到五代时期，《太初历》发展到《符天历》，中国历法在编排日历外，又增添了节气、朔望、置闰、交食和计时等多项内容。历法的发展越来越完善，体系越来越缜密，数据越来越精确，观测手段和计算方法也越来越先进。如隋代刘焯，用等间距二次差内插法来处理日月运动的不均匀性。唐代僧人一行编有《大衍历》，“大衍历”之名是依据周易系辞“大衍之数”一语而来。全文共分七篇，包括《步气朔》《步发敛》《步日躔》《步月离》《步晷露》《步交会》《步五星》。《步气朔》讨论如何推算二十四节气和朔望弦晦的时刻；《步发敛》内容包括七十二候、六十四卦以及置闰法则等；《步日躔》讨论如何计算太阳的位置；《步月离》讨论如何推算月亮的位置；《步晷露》计算表影和昼夜漏刻的长度；《步交会》讨论如何计算日、月食；《步五星》介绍的是五大行星的位置计算。这七篇编次结构合理、逻辑严密，成为后世历法编次的经典模式，表明中国历法已完全成熟。自秦以来千余年，中国人的宇宙观念发生了改变，中国历法从“盖天说”走到了“浑天说”。(www.daowen.com)

五代时的历法，据史料记载，后晋有《调元历》，蜀有《永昌历》和《正象历》，南唐有《齐政历》，后周有王处讷的《明玄历》和王朴的《钦天历》等。其中也有一些创新，如《调元历》不用上元积年，《钦天历》在实际观测基础上对五星动态表的改正等。有些历法还在一定时期内为后世所沿用。