变幻莫测的天空从古至今都使人捉摸不定，而古代的先民更想通过对奇异天象的观测了解万事万物的变化和发展，因而，无论是如天女散花般的流星雨，还是拖着长尾巴的彗星，甚至是太阳表面出现的斑斑黑迹，都能成为古人研究和探求的对象。对于这些特殊的天象，我们的祖先十分重视观测。我国史籍中保留了对日月食、太阳黑子、极光、流星、新星、超新星等极为详尽、系统、丰富的观测记录，这些史料随着时间的推移愈发显现出它的珍贵价值，对现今天文学的发展起到了重要的促进作用。
（一）日食和月食
日食分三种，即日全食、日环食和日偏食。日食是一种非常显著的天象变化。中国有古代世界上最完整的日食记录。《尚书·胤征》篇“乃季秋月朔，辰弗集于房，瞽奏鼓，啬夫驰，庶人走”的记录被认为是中国历史上最早的日食记录。中国古代史料关于日食的记录总计共有一千六百余次之多，是中国古代天文学遗产的重要组成部分。
中国古代传说日食是“天狗”把太阳吃掉了。因而，每当日食发生时，人们总是惊恐万状，纷纷鸣锣击鼓，呐喊狂呼，胁迫“天狗”吐出太阳。传说中国最早的天文官叫羲和，他因为喝得烂醉，没有预报日食，并且在日食发生时，没有去营救太阳，而被革职杀头。
月食分月全食和月偏食两种，其中月偏食不易引起人们注意。中国最早的月食记录见于殷墟甲骨卜辞，据考证有五条卜辞是可靠的月食记录，这五条记录都属于武丁时期，年代约在公元前13世纪初。历代史志对月食的记载是系统而完整的。《中国古代天象记录总集》载有古代月食记录一千一百多项。
那么为什么会发生日食和月食呢？
由于日、月、地都在不停地运动，三者成一条直线排列，月球在中间，月亮遮挡太阳，影子投在地球上就形成了日食；如果地球在中间，月亮从地球的影子中穿过就形成了月食。《南齐书·天文志》中记述了日、月食发生的亏起方位：“日食皆从西，月食皆从东，无上下中央者。”就是说日食总是从西边缘开始逐渐向东，月食总是从东边缘开始逐渐向西，没有从正南正北或中央开始的。由于进行了长期的观测，所以这种记述是非常真实的。
日、月食的发生有一定的周期性。因为太阳、地球和月亮三者的运动是有规律的，经过一段时间后，三者又大致回到了原先的相对位置，于是一个周期以前相继出现的日、月食又再次相继出现，我们称这种周期为交食周期。
（二）太阳黑子
传说远古的时候，有十个太阳生活栖息在东方汤谷一棵巨大无比的扶桑树上。他们由金乌背负着，轮流到人间巡行。但到了尧帝时，不知什么缘故，这十个太阳一起出现在天空中，炽热的日光使江河干涸，草木枯焦，人类也无法生存。于是尧帝命令神箭手后羿射日。当后羿奉命射下九个太阳时，只见一团团火球落下，三只脚的乌鸦也一只只坠落下来……这个神话告诉我们：太阳中有一只乌鸦，即黑色的鸟。日中鸟的神话在中国流传很广，1972年在长沙马王堆二号墓中，出土了一幅珍贵的彩绘帛画，上面画着一轮金色的太阳，中间站着一只乌鸦。日中鸟的神话，实际上是古人肉眼所见的太阳现象，就是太阳黑子。
太阳黑子是在太阳光球上出现的斑点，因而又叫“日斑”，这些斑点区域的温度低于其他区域的温度，所以显得暗些。世界公认的对太阳黑子的最早记录是在中国西汉河平元年（前28年）：“三月乙未，日出黄，有黑气大如钱，居日中央。”（《汉书·五行志》）太阳黑子从产生到消亡有三种不同的形态，古人对黑子做了非常形象的描述，第一阶段是圆形黑子，“如钱”“如环”“如栗”“如桃”；第二阶段为椭圆形黑子，“如枣”“如瓜”“如鸡卵”“如鸭卵”；最后一阶段为不规则形黑子，“如人”“如鸟”“如飞燕”。
现在用望远镜观测几乎每天都可以看到黑子。可是在远古时代并没有望远镜，古人如何能看到太阳黑子呢？这大概由于中国古时各朝代首都多在西北，那里多黄土，风起则黄沙漫天，日光暗淡，容易看到黑子。史籍中用“日赤无光”或“日无光”等来形容当时的天空情况。在日出和日落时往往能看到太阳呈黄色或红色，光线不刺眼，这时也容易看到黑子。古人在日出日落时对太阳举行的祭祀，正是发现太阳黑子的好时机。
（三）彗星
彗星是除日食以外，最能引起古人惊异的天象。中国古代对彗星有系统的观测记录。《中国古代天象记录总集》记录，中国古代有彗星记录一千余次。中国古代的彗星记录最早见于《春秋》，鲁文公十四年（前613年）秋七月，“有星孛入于北斗”。这也是关于著名的哈雷彗星的最早记录。中国古代对彗星的观察非常细致，并且根据彗星出现的方位和形状的不同给其命名。《开元占经》引石氏曰：“凡彗星有四名：一名孛星；二名拂星；三名扫星；四名彗星，其形状不同。”
肉眼可见的明亮彗星通常是由彗核、彗发和彗尾三部分构成，彗核与彗发合起来又称为彗头，彗头之后拖着的就是长长的彗尾。彗星按自己的轨道运行，当它远离太阳的时候，其有一个暗而冷的彗核，并无头尾之分。而当彗星接近太阳时，在太阳的作用下才会由彗头喷出物质，形成彗尾。长沙马王堆三号汉墓帛书中，绘有各种不同名称的彗星图像，且形态各异，其中一些图像比较真实地反映了彗尾的不同形状和特征，说明战国时期的人们已经注意到彗星的结构层次，对彗星的观测已经达到了比较精细的程度。
彗星的最大特征便是它的彗尾。彗尾形状不同且大小不一，有的像一条直线，有的像一弯新月，有的宛如一把展开的扇子。每颗彗星的彗尾数目也各不相同：少数彗星没有尾巴，大多数是一彗一尾，但也有不少彗星有两条或两条以上的彗尾。如唐天祐二年（905年）四月甲辰出现的彗星，尾长由三丈到六七丈，最后“光猛怒，其长竟天”。
（四）流星
在星际空间存在着大量的尘埃微粒和微小的固体块，它们在接近地球时由于地球引力的作用会使其轨道发生改变，因而能穿过地球大气层。由于这些微粒与地球相对运动速度很高，与大气分子发生剧烈摩擦而燃烧发光，在夜间天空中形成一条光迹，这种现象就叫流星。流星包括单个流星（偶发流星）、火流星和流星雨三种。特别明亮的流星又称为火流星。造成流星现象的尘埃和固体小块称为流星体，所以流星和流星体是两个不同的概念。穿行在星际空间，数量众多，沿同一轨道绕太阳运行的大群流星体，称为流星群，其中石质的叫陨石，铁质的叫陨铁。
流星雨，是许多流星从夜空中的一点迸发出来，并坠落下来的特殊天象。这一点或一小块天区叫做流星雨的辐射点。人们通常根据流星雨辐射点所在天区的星座给其命名。例如狮子座流星雨、猎户座流星雨、宝瓶座流星雨、英仙座流星雨等等。我国关于流星、流星雨的记载也早于其他国家，举世公认的最早、最详细的流星雨记录见于《左传》：“鲁庄公七年夏四月辛卯夜，恒星不见，夜中星陨如雨。”鲁庄公七年也就是公元前687年，这也是世界上关于天琴座流星雨的最早记录。
（五）新星
古代天文学家发现，在某一星区，出现了一颗从来没有见过的明亮星星，但仅仅过了几个月甚至几天，又渐渐消失不见了。这种“奇特”的星星叫做新星或者超新星。
“新星”的名字来源于人们曾一度以为它们是刚刚诞生的恒星，所以取名叫“新星”。事实恰恰相反，它们并不是新生的星体，而是正走向衰亡的老年恒星。它们在大爆炸中，抛射掉自己大部分的质量，同时释放出巨大的能量。因此，光度在极短的时间内就有可能增加几十万倍，这样的星叫“新星”。如果恒星的爆发再猛烈些，它的光度甚至能增加几千万、几亿万倍，这样的恒星就叫做“超新星”。而地球上的人类，因与爆发星区隔着极其遥远的距离，只是看到天空中突然出现一颗闪亮的新星。
新星和超新星的爆发是天体演化的重要环节。它是老年恒星过渡到新生恒星的新旧更替。超新星的爆发可能会引发无数颗恒星的诞生。另一方面，新星和超新星爆发的灰烬，也是形成别的天体的重要材料。例如，那些早已消失的恒星的残骸可能构成了今天我们地球上的许多物质元素。