在天球天文学中，我们以地球为中心，构造了一个无限大的半径假想球面，这个球面称为天球。这个球面上分布着众多的天体，如日月星辰，尽管它们实际上与地球的距离各不相同。由于这些距离远大于地球在空间中的移动，人眼无法分辨它们的远近，所以天体看起来像是均匀分布在观测者周围的圆形球面上，即站心天球。
天球是一个方便研究天体位置和运动的概念，依据天球中心的不同，有站心、日心和地心等多种类型。在天文学计算中，我们通常使用天体在天球上的投影点和大圆弧段来表示它们之间的位置关系，尽管天球的半径是任意选择的，但它在数学上可以视为无穷大。
当我们仰望星空，看似星星均匀分布在天幕上，但实际上它们各自有不同的距离。地球位于天球中央，星星的运动似乎围绕地球，这是地球自转带来的错觉，实际上，是星星围绕地球在旋转。比如，周日运动指的是星星每天在天球上绕一圈，天球的北极和南极是由地球自转轴延伸到天球上的标志，而北极星因其接近天球北极而显得静止，成为北半球方向导航的重要标志。
值得注意的是，不同的纬度会影响到对天球某些特征的观察，例如北极星的位置会随着纬度变化，而在南半球，由于天球南极附近没有明显的光星，因此没有南极星可以作为导航。同样，南北半球的人无法看到对方天空接近极点的星星，这是天球天文学中地理位置对观测结果的重要影响。
天文学等领域中，天球是一个想象的旋转的球，理论上具有无限大的半径，与地球同心。天空中所有的物体都想象成是在天球上。与地球相对应，它有天赤道，天极。