“天似穹庐，笼盖四野”，“天如鸡子，地如卵中黄”，这是古代中国人对天空的描述。他们认为天空如同一个锅盖，或者一个球壳，将大地包裹在其中。古希腊天文学家托勒玫的“地心说”认为天空是由一层又一层的“天球”组成的，恒星则固定在最外层天球上。
天空真是球形的吗?为何人们都有如此相似的感觉?其实这是一种错觉，产生这种错觉的原因，是因为星星太遥远了，我们完全无法判断哪颗星离得近，哪颗星离得远，以至于我们认知的距离感丧失了，错认为每颗星到我们的距离都是一样的，因此我们看到的天空就如同一个球形。
虽然这种“天球”的感觉是因错觉造成的，但在天文观测中，我们却可以借助“天球”的概念来标定天体在天空的位置。在天文观测中的天球，是以观测者为中心，以无穷远为半径假想出的一个巨大球面。既然这个球面是无穷远的，那么我们也不用顾及哪颗星星距离我们远，哪颗星星距离我们近，而是把它们统一当作无穷远的天体来看待。这样一来，我们只需要在天球上画出网格坐标，就可以通过经度和纬度来记录天体的位置及变化。当天文学家通过望远镜观测时，用这些坐标数字就可以准确找寻天体为了形象表示天球，人们还制作出了天球仪。
中国汉代的浑象和西方古罗马时期的法尔内塞天球都是早期天球仪的代表。天球仪和地球仪样子差不多，也有南北极和赤道。不过地球是真实存在的，而天球是假想球。天球上画的不再是地面上的河流山川，而是天上的日月星辰。相对于地球仪而言，天球仪上的坐标要复杂得多，除了常用的赤道坐标系，还有根据太阳运行的轨道平面建立的黄道坐标系，根据银河系的盘面建立的银道坐标系，根据观测地的地平圈建立的地平坐标系等，它们都可以用来记录各种天体的位置。
三维的天球仪是以天球之外观察者的角度来设计的，因而同地球上看到的方位刚好相反，使用并不方便。更常用的是投影后的二维星图。位于苏州的南宋石刻天文图就是这样绘制的。