从太初历到乾象历
秦汉时期天文学得到了长足的发展，初步形成了我国的传统天文学体系。其中尤为突出的是独具特色的历法体系的形成。秦统一中国，推行“车同轨，书同文字”。又在全国统一施行颛项历，以建亥之月（十月）为岁首，年终置闰。汉承秦制，仍用颛顼历，但到汉武帝时，颛顼历渐与实际天象不符，把闰月总是放在闰九月也不能适应农业生产对掌握季节的需要，司马迁等人提议改历。武帝于太初元年（公元前104年）下令从全国征募二十余人“议造汉历”。经过实测和推算，共提出了十八种方案，最后确定了邓平提出的81分法，即每月有天，每年有天，19年有7个闰月。新历在太初元年颁行，是为太初历。太初历的原文虽然失传，但西汉末年刘歆按太初历改编的三统历却完整地保存下来，成为现今能见到的最古老的一部完整的历法。它不仅包括根据日月运动推算朔望、24节气，安排历日的方法，还有推算日月食，预告行星位置等内容，这确立了我国古历的基本框架。制定历法必先造仪器，搞天象观测，按实测来确定数据和检验历法疏密，这一原则在制定太初历前后得到了充分的体现，也对后世产生了深远的影响。
中国古历采用阴阳合历，即以太阳的运动周期作为年，以月亮圆缺周期作为月，以闰月来协调年和月的关系。由太阳运动而确立的24节气反映了一年四季的变化，与农牧业生产密切相关，在汉初的《淮南子·天文训》中首次出现了完整的24节气名称，与现今通行的名称一致。24节气是相间的12个中气和12个节气的总称。太初历首次确定以中气所在决定月的名称，如雨水所在月为一月，春分所在月为二月，……冬至所在月为十一月，等等。而无中气的月无名称，只能称为前一个月的闰月，这一原则称无中气置闰。它合理地调整了年和月的关系，使季节与月份大体稳定，从太初历开始一直延用到现在。
东汉早期发现了月亮的视运动不均匀，即月亮每天的行度不一样，而且知道了月行最快的地方每月朝前移三度。刘洪在乾象历（公元206年）里首次把月亮的快慢不均匀编成表，为后世月离表和日躔表的先声。要计算某一天月亮的位置，应在平均值上再加上快慢多少的改正，又用内插法推算任何时刻的月亮位置。采用了这些数学方法，推算日月合朔和日月食发生的时刻便提高了准确程度。刘洪还发现，月道（白道）和日道（黄道）不在一个平面上，中间有六度夹角，这就造成了不是每次日月合朔都发生交食。他认为合朔时月亮离黄白交点超过十五度半就不会发生交食，这就是发生食的判断数据，即现代的食限概念，这一数据后代各历都遵用不改。
中国古历的特色
从太初历到乾象历，中国古历无论在内容、形式、计算方法等方面都形成中国的特色而跟欧洲历法有了明显的不同。如欧洲古罗马公元前46年起实行的格里高利历，时代同中国的太初历相当，年长也取用天，同战国时古六历和东汉四分历相同。但月是31天和30天两种，与我国的朔望月不同，它没有天文意义，与月亮运动无关。格里历为阳历，我国古历为阴阳合历。欧洲古历仅包括历日安排，大小月年年相同，而我国古历各年不同，且还包括交食、行星、节气、晷漏等内容，可以说是一种天文年历，为了编制历法而带动了整个天文学的发展。中国古历以观测为基础确定各种天文数据，而以代数学方法处理这些数据，推算天文学问题：欧洲从古希腊天文学以来一般以几何学系统立论来处理数据。我国古历以周天365度的制度划分全天，度下为分，各历采用不同的进位制；欧洲以周天360°为分划，度下为分、秒，皆以六十进位。秦汉以来，由于皇权的加强，而历法又由皇家颁行，颁历权成为皇权的一部分。天文历法事业由皇室经办，逐渐形成了我国天文事业的官办性质，而民间研习天文历算逐渐受到了限制，这也与西方的情况大不相同。