暦は9世紀半ばまで、その時々の中国の暦を採用していたが、遣唐使の廃止などによって中国との往来が途絶えると、862年の宣明暦の採用を最後に改暦は長く行われなくなった。これによって暦の誤差はその後800年にわたって累積することとなったが、江戸時代の天文学者渋川春海が中国の元の暦を元にして貞享暦を作り、改暦を行った。この功績によって春海は江戸幕府に新設された天文方の職に就いた。これ以後、朝廷の陰陽寮が行ってきた暦の編纂は幕府主導で行われるようになった。また、この頃に井口常範の『天文図解』や西川如見の『天文義論』などの天文についての書籍が刊行されるようになり、人々に天文学に関する知識を広めるきっかけとなった。江戸中期には将軍徳川吉宗によって本格的な西洋天文学の導入が図られ、在野の天文学者でありながら独自の計算で日食を正しく予報したりケプラーの法則を独立発見した麻田剛立や、剛立の弟子で後に幕府天文方となった高橋至時などが現れた。至時は間重富とともにケプラーの楕円軌道理論を取り入れた寛政暦を編纂し、また伊能忠敬の師として彼の日本地図作成を助けた。また、コペルニクスの地動説は本木良永・司馬江漢らによって、ニュートンの万有引力の法則は志筑忠雄によって日本に紹介されている。なお、密教由来の宿曜道の系統をひく須弥山説を支持する仏教僧は長年にわたって陰陽道の暦学を批判し続けてきたが、ここにきて西洋天文学の流入に危機感を抱いて梵暦運動を起こした。『仏国暦象編』を著した円通は、伊能忠敬や武田真元らと激しく対立したことで知られ、円通の流れは幕末の佐田介石へと継承されることとなる。
日本の天文学は、主に中国の天文学が移入され、それが発展したものである。6世紀頃の飛鳥時代に百済から渡来した人々が中国の暦を日本に伝え、日本でも暦法が行われるようになった。『日本書紀』によれば、推古天皇10年（602年）に百済の僧侶・観勒が天文・地理・占いの書籍を持って来日したのを始まりとし、同36年3月2日（628年4月10日）に日食が起こって空が真っ暗となり、数日後に天皇が崩御したと言う（ただし、今日の計算では部分日食だったと推定され、『日本書紀』の記事には編者の脚色が一部加えられている事が明らかになっている）。7世紀から8世紀にかけて律令制国家が確立すると、朝廷に陰陽寮が置かれた。陰陽寮にはそれぞれ天文博士（天変の観測）・暦博士（暦の管理）・漏刻博士（時刻の管理）・陰陽博士（占術）などの役職が置かれていた。奈良時代から平安時代にかけては天変（日食・月食や新星の出現などの空の異変）は天皇や国家の凶兆であると考えられており、これらを観測して天皇に密奏したり、異変の意味を解釈して凶兆である場合には呪術や祈祷を行うなどが陰陽寮の役割であった。また、当時の天文学は天変を観測する「天文道」や暦を作成する「暦道」によって構成され、天文博士や暦博士によって教育されていた。陰陽師として有名な安倍晴明は平安中期の天文博士である。これら陰陽寮の各役職は一種の特殊技能であったため、安倍氏や賀茂氏といった特定の家系の世襲となった。逆にこうした家の出身者以外の者が天文に関わることはタブーと考えられるようになった。『今鏡』には当代随一の碩学であった藤原通憲（信西）があらゆる学問に精通しようとして天文にまで通じたために、却って平治の乱で命を落としたとする故事を載せている。
同じく19世紀には写真術が発明され、肉眼で観測できないような暗い天体でも、長時間露光の写真撮影によって観測できるようになった。これにより、太陽系天体と恒星に限られていた天文学の対象が星雲や銀河に拡大していった。また、20世紀に入ると宇宙の様々な天体から電波が放出されていることが発見され、電波天文学が始まった。これにより、可視光での観測に限られていた我々の宇宙に関する知識はさらに広がることとなった。20世紀後半には人工衛星が打ち上げられるようになり、地上からは大気の吸収によって観測できないγ線、X線、紫外線、赤外線など、様々な波長の電磁波で宇宙を観測できるようになった。
両番上席軍艦役中島三郎助の三男として、濱御殿の役宅で生まれる。母は西丸一番組御徒岡田定十郎の長女、錫。慶応4年8月、父が長兄恒太郎（浦賀与力、1841年生）、次兄英次郎（浦賀与力、1851年生）ら浦賀奉行所の役人を率いて榎本武揚とともに蝦夷へ向かったため、母に連れられて駿府（静岡）に移住した。翌年父と兄二人は箱館で戦死してしまうが、父の同僚であった静岡藩権小参事佐々倉桐太郎の奔走によって、明治3年（1870年）、長兄の跡を継ぐ形で静岡藩三等勤番士（六人扶持）に取り立てられた。その後、父の同僚や弟子であった佐々倉桐太郎、香山栄左衛門、木戸孝允、浜口英幹、榎本武揚らの支援を受けて成長し、明治16年（1883年）、海軍機関学校（旧4期）に入学した。同年、母が死去。明治21年（1888年）に海軍少機関士に任官、「筑紫」乗組となる。明治24年（1891年）には「迅鯨」水雷主機心得兼教官心得を経て、叔父の設計による「海門」乗組となった。明治25年（1891年）海軍大機関士に進級、翌年吉野回航委員として英国出張、そのまま吉野乗組兼水雷主機となり日清戦争に参加した。明治28年（1895年）以降は鳥海、竜田、金剛の機関長を歴任した後、明治31年（1898年）、海軍機関少監に進み、海軍機関学校教官、海軍機関学校監事長となった。明治32年（1899年）、グラスゴー大学に留学し、海軍機関中監に進級した。明治35年（1902年）に帰国し、海軍大学校教官、大本営人事部部員、横須賀海軍工廠検査官を経て、明治38年（1905年）海軍機関大監に進級した（翌年機関大佐に改称）。明治40年（1907年）に、蒸気タービン導入のため英国出張、以後、造船監督官、艦政本部員、明治45年（1912年）海軍機関少将、横須賀海軍工廠造機部長、呉海軍工廠造機部長を歴任、燃料の切り替えと蒸気タービン国産化に尽力した。大正4年（1914年）、工学博士を授けられ、翌年、海軍技術本部第五部長、海軍機関中将となり、大正9年（1920年）勲一等旭日大綬章を受章した。大正12年（1923年）3月に予備役となった。