美索不达米亚天文学在约公元前3000年至约公元前1600年的古代两河流域萌芽。当时，美索不达米亚先民对星座和历法的认识已经达到了比较高的水平，在天文学上的成就非常卓著。
为了方便观测，人们把星空分成若干区域，这些区域称为星座。
早在公元前2900至前2230年的苏美尔城邦国家至阿卡德王国时期，苏美尔人就开始将星空中较亮的星划分为星座，并发现了水星、金星、火星、木星和土星这五颗行星。
公元前1894至前1595年的古巴比伦王国时期，人们已将一天分为12时（1时相当于现在的2小时），每时分为60分，每分再分为60秒；将周天分为360度，1度分为60分，1分分为60秒。并将7天作为1个星期，这些分法此后一直沿用至今。地球每年绕太阳运行一周，但在地球上看是太阳在天空绕地球转了一周。这一周是地球公转轨道平面无限扩大在天空中画出的大圈。
在古巴比伦王国时期，人们已将太阳在天空视运动的路径称为黄道，并将其分为12等分，用12星座与之相对应的形式，称为黄道十二宫。它从春分点开始，将黄道等分，每一部分范围为30度，即为一宫。分别用在黄道十二宫产生时各宫所对应的星座名称命名。当时春分点在白羊座，故第一宫被称为白羊宫，其他十一个宫依次为金牛宫、双子宫、巨蟹宫、狮子宫、室女宫、天秤宫、天蝎宫、人马宫、摩羯宫、宝瓶宫和双鱼宫。但由于岁差现象，春分点每年要西移50.3秒，使其现在的位置移到了双鱼座，故现在的黄道十二宫的名称已与其位置所在的星座不对应。
约公元前30世纪，当地苏美尔人已经有了历法。公元前19至前16世纪，阿摩利人在美索不达米亚建立了古巴比伦王国。这一时期创立的古巴比伦历将一年分为12个月，大小月相间，大月30日，小月29日。每月以新月初见为第一天，一年共354天。古巴比伦历固定春分为岁首，但由于1回归年的长度不是整数，需要置闰来补足354日与1回归年的差额。但当时置闰的方式尚无定规，由国王酌情随时宣布，直到大流士一世时代才有固定的闰年规定。
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