巴比伦人的天文学知识比古埃及人更为先进和精确。早在4000年前，古代两河流域的居民已能区分恒星和行星，并留下了对金星、火星、木星运动的观察记录。巴比伦人把他们丰富的数学知识广泛地应用到天文学中，巴比伦天文学的精确性在古代达到无与伦比的程度，被冠以“数学天文学”的美称。
记载天文学的楔形文字黏土版随着农业的发展，季节的划分显得越来越重要了，所以通过系统的天文观测来建立一套精确的计时系统是十分必要的。这样天文观测就有了两个目的：计时和预知未来的世界。苏美尔人把太阳在天空的历程分为12宫，每一宫的星座都以神话中的神或动物命名。他们的天文学为今天通用的计时系统奠定了基础，星空划分和命名则一直相沿至今。公元前4700年左右他们制定的阴历比埃及最早的历法还早500年左右。该阴历分1年为12个月，每月30天，时差加闰。苏美尔人在天文观测时还发明了日晷，计时则使用水钟。
早在苏美尔—阿卡德时期，这里就早已有了东、南、西、北四方的概念；人们把星空分成了星座，并通过对太阳运动的轨迹的观察形成了黄道面的概念，发现了在星空中穿行的水星、金星、火星、木星、土星这五颗行星。在古巴比伦帝国时期，人们分黄道为12宫；将1天分为12时，1时分为60分，1分分为60秒；将1周天分为360度，1度分为60角分，1角分分为60角秒。这许多创造，基本上都被后人继承下来了。
在古巴比伦王国时期，开始推行的历法是简单地定1年为360天、12个月。这种原始的历法十分粗疏，首先定每月为30天，就和朔望有的周期不符，而定1年为360天，也和1回归年的实际长度不一致。所以后来又有了改进，正常的依然等于12个，大月30天，小月29天，大小月相间，一年共354天，然后用置闰的方法来补充它与l回归年的不足，这样有闰月的年份就有13个月。巴比伦历把岁首放在春分，它的元月相当于现在公历的3月下旬到4月中旬，置闰月的原则则是尽量使岁首保持在春分附近。在公元前6世纪以前，置闰无一定规律，而是由国王根据情况随时宣布。到了公元前5世纪以后，则有了固定的闰周，先是8年3闰，后是27年10闰，最后到公元前4世纪确定为19年7闰。此外，巴比伦历不是朔日，而是以新月初见日为一月开始的一天。除年和月外，巴比伦人还提出了另一个时间单位——星期，并用太阳、月亮和五大行星的名字来命名一个星期中的7天。
巴比伦人对太阳和月亮的运行周期测得很准确。在公元前4世纪末，他们测得的朔望月和近点月的精度已达到秒的量级。他们对五大行星的运动也很有研究，例如他们测定了五大行星的会合周期，其数值分别为：水星，23／73年；金星，135年；火星，2215年；木星，1665年；土星，1257年。这些数据与近代的观测结果相当接近。
迦勒底人统治巴比伦时期，在天文学方面取得了很大的新成就。这一时期对天象和蚀象的观测继续进行着。公元前568年的泥板文书记录了如下的天文现象：“一日，水星出现。三日，秋分。十五日，晚，日落后四十分，月蚀开始。二十八日，日蚀。”
巴比伦的天文学之所以如此发达，与他们发达的占星术不无关系。星相学是那时研究的主题，从研究星辰运行与季节的关系及星辰季节与某些疾病的关系中，我们可以找出某些科学的原理。由于假定星辰现象与人体生理之间有关系，于是便渐渐产生并发展了认为周期、季节和星辰能影响人生的观念，并由此成为推动天文学发展的重要动力。