西周時期（公元前11~8世紀）的天文學成就則更多了。西周初年用以定季節的主要星象除了傳統的對象外，可能還有北鬥鬥柄的指向。判斷的方法也就是如《鶡冠子》臓的：“鬥柄東指，天下皆春；鬥柄南指，天下皆夏；鬥柄西指，天下皆秋，鬥柄北指，天下皆冬。”但是，人們不能滿足這種簡單粗疏的方法，為了對太陽和月亮的運動作進一步的研究，對日月運動所經天區的恒星背景就逐漸熟悉起來，於是將日月所經天區分成28星座，稱為二十八宿。形成28個星座的依據是一個恒星月差不多正好為28天，它與朔望月的周期（29.5天）也較為接近。分成二十八宿之後，月亮1天行經一宿，28天後又回到原處。二十八宿產生的實踐基礎是當時人們很重視月相的觀測。西周人把1個月的開始，從原有的初見新月那天（絀）改為朔日，所以很注意朔日的推求。同時，開始用間接地測定太陽的方―確定季節。所以，對日月運行所經天區的恒星背景的研究就越來越重視了，最後終於將這個天區的恒星分成28群。中國的二十八宿又以春分初昏時各星象所出現的方位而分成四組，依次為：東方蒼龍，包括角亢氐房心尾箕；北方玄武，包括鬥牛女虛危室壁；西方白虎，包括奎婁胃昴畢胔參；南方朱雀，包括井鬼柳星張翼軫。近年來，有人從卜辭的族徽中已找到10多個二十八宿的名稱，因此，它的起源也許可上推到殷商時代。
立杆測影在中國有著很久遠的曆史，據《周髀算經》等記載，中國圭表的使用可能從夏代就開始了。古代也有關於周公在陽城測影的傳說。利用直立於地麵的一根標杆，通過太陽照射標杆而在地麵投下的陰影，首先可以測定東西方向和南北方向，隨著經驗的積累，又可以利用日中太陽影長的變化來測定季節；再進，步則發展成利用標杆投影的方向變絲確定時刻。通過對古代文獻資料的研究表明，至遲在春秋時代（公元前770-478），已能利用圭表測定冬至夏至，同時也能利用圭表精確地測定日中的時斜以校準漏壺。圭表的使用，不僅使得精密測定回歸年的長度有了可能，也使人們逐步認識到恒星年和回歸年的區別，使中國天文學取得了劃時代的進步。
據中國的文獻記載，周代已經有了漏壺記時。中國早期的漏壺都是單隻泄水型的。
蓋天說是中國最古老的宇宙結構學說，它的起源可以上推到原始社會，但到周代才開始形成一個較為係統的觀念。它的基本觀點是天圓地方。後來又改進為“天象蓋笠，地法複盤”，或者說天如傾斜著的車蓋。眾天體都以北極為中心，在大地以上圍繞著蓋笠或車蓋運轉。後來則更進一步發展成以七衡六間的觀點來解釋太陽方位的四季變化情況。
曆法發展到春秋時代，已經基本掌握了19年設置7個閏月的方法，大小月的安排也已經很精密，開始打下了創製四分曆的科學基礎。
中國古代的天文工作者對於天象的觀測和記載是十分精勤的，長期以來一直為各國天文學家所注重。除甲骨卜辭的天象記錄以外，《書經》日食和《詩經》日食都被人們認為是世界最早的日食記錄而進行過研究。春秋37次日食也為世人所矚目。公元前687年天琴座流星雨記錄和公元前613年哈雷彗星的記錄都被認為是世界上最早的此類天象的記錄。