望远镜发明之前，天文学家的主要工作是计量时间，观测天体的方位。
在中国，最古老的天文仪器是西周初期问世的圭表。它分为圭和表两部分。圭沿正南北方向水平放置，而表则竖立在圭的南端，并向头顶方向延伸。表的高度一般为“八尺”，顶部有一圆孔。正午时阳光射入圆孔，会在圭面上留下孔影。冬至时，在圭面上孔影离表底部的距离最长；夏至时则距离最短中国古代把圭面上孔影最长的冬至到下一年冬至的时间间隔定为一回归年。
圭表主要是用来计量时间的，而中国古代测量天体坐标位置常用的仪器是浑仪，它由瞄准待测天体的窥管、反映各种坐标系统的读数环、支承结构和转动部件等构成。当窥管对准待测天体后，就可以从多组环圈读出天体的几种坐标。北宋元祐年间，苏颂、韩公廉制作了元祐浑仪。元祐浑仪后来安装在他们两人在元祐七年(1092年)建成的水运仪象台中，该台高12米、宽7米，分为上、中、下3隔。上隔放元祐浑仪，中隔放浑象(可用于演示天象，类似现今的天球仪)；下隔的前部是一个由木偶出入报时的五层木阁，后部则是均匀挂满36个水斗的巨大枢轮，作为动力装置。这一动力装置不仅能驱动五层木阁中的木偶出入报时，而且还能使元祐浑仪的窥管以及浑象每过几分钟转过一个角度，从而起到跟踪天体运动的作用。元祐浑仪的屋顶可以开启，已开创了现今天文台活动屋顶的先河；而它的窥管能间歇性地跟踪天体，则是现代望远镜中转仪钟的祖先。可见水运仪象台的研制者何等聪慧!
16世纪晚期，丹麦天文学家第谷在汶岛建立了天文台，安装了自己精心设计的十多台古典天文仪器。其中最著名的一台是结构独特的墙象限仪，它安装在一堵正南北方向的墙上，主要部件是一个半径1.8米、刻度精细的90°铜圆弧，其上有一瞄准器，观测者可以通过它测定南侧墙的上部长方形孔中所见的星的位置。这台墙象限仪可测得天体过子午圈时的地平高度，即天体方向对地平面的倾角。第谷研制的古典天文仪器结构精细，天文观测的精度很高。后来德国天文学家开普勒利用第谷留下的观测资料，得出了著名的行星运动定律。