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  古時候人們為了辨別方向、確定時間,創造出日晷和圭表來。古代天文學家為了測定星星的方位和運動,又設計製造了許多天體測量的儀器。通過對星空的觀察,將星空劃分成許多不同的星座,並編制了星表。通過對天體的測量和研究形成了早期的天文學。直到十六世紀中葉,哥白尼提出了日心體系學說,從只是單純描述天體位置、運動的經典天體測量學,發展成尋求造成這種運動力學機制的天體力學。

  天文測量是量度恆星和行星運動的科學。在1990年代,天文測量被用於檢測軌道繞著個別地外太陽系的氣體巨星。經由觀察恆星擺動和計算造成這種擺動所需的的重力,然後可以推算造成這種影響的行星的質量。

  天文學家利用天體測量的技術來追蹤近地小行星,也利用天體位置微小的週期性變動,這是行星與恆星互繞質量中心產生的位置偏移,用來搜尋系外行星。NASA計劃在太空干涉儀任務(SIM行星搜尋)中,應用天體測量的技術來偵測在200光年的距離內,或是最接近的類太陽恆星中,可能存在的類地行星。  天體測量學的測量結果被用來修正天文物理學家在天體力學下建立的一些模型。基於測量得到的中子星速度,可能會導致超新星爆炸是非對稱的結論。同樣的,天體測量的結果也用於確認暗物質在星系內的分佈狀態。

  通過研究天體投影在天球上的座標,在天球上確定一個基本參考座標系,來測定天體的位置和運動,這種參考座標系,就是星表。在實際應用中,可用於大地測量、地面定位和導航。地球自轉和地殼運動,會使天球上和地球上的座標系發生變化。為了修正這些變化,建立了時間和極移服務,進而研究天體測量學和地學的相互影響。  古代的天體測量手段比較落後,只能憑肉眼觀測,對於天體測量的範圍有限。隨著時代的發展,發現了紅外線、紫外線、X射線和γ射線等波段,天體測量範圍從可見光觀測發展到肉眼不可見的領域,可以觀測到數量更多的、亮度更暗的恆星、星系、射電源和紅外源。隨著各種精密測量儀器的出現,測量的精度也逐漸提高。

  在科幻小說星際爭霸戰中,天體測量儀曾在許多的場景中以各種不同的型態出現。
天體測量學或測天學(Astrometry)是天文學中最古老也是最基礎的一個分支,主要以測量恆星的位置和其他會運動天體的距離和動態。他是傳統科學中的一個子科目,後來發展出以定性研究為主體的位置天文學。天文測量學的歷史,在西方可以追溯到喜帕恰斯(Hipparchus),他編輯了第一本的星表,列出了肉眼可見的恆星併發明瞭到今天仍沿用的視星等的尺標。現代的天體測量學建立在白塞耳的基本星表上,這是以布拉德雷在公元1750至1762年間的測量為基礎,提供了3,222顆恆星的平均位置。