歷法源于天文，古代天文與歷法是一回事。夏、商、周三代處于觀象授時時期，直到戰國初公元前427年發明《殷歷》“甲寅元”（四分歷），中國才進入歷法時代。“觀象授時”語出《尚書·堯典》：“歷象日月星辰，敬授民時。”華夏先民觀天象的目的是“授時”，這與西方天文學有很大不同。

1.觀察太陽的運行規律，古人形成了“日”與“年”的時間概念。太陽東升西落，一個白天一個夜晚合為一日。中國古代最主要紀日方法是干支法，即運用十天干（甲乙丙丁戊己庚辛壬癸）十二地支（子丑寅卯辰巳午未申酉戌亥）組合成六十甲子循環紀日。早在殷商甲骨卜辭中，就有“己巳卜，庚雨”“乙卯卜，翌丙羽”之辭。據可靠資料，公元前720年，春秋時期魯隱公三年二月己巳日至今近三千年，干支紀日從未間斷過，成為世界上迄今所知最長的紀日文字記載。

古人立竿測景（影），日影最長的一天定為冬至日，夜晚最長。日影最短的一天為夏至日，白晝最長，每年春夏秋冬循環一次。《尚書·堯典》載“期三百有六旬有六日”，表明夏商時期古人已確定回歸年長度為366日，即從冬至到下一個冬至的時間（稱為一“歲”）。至遲到春秋時期，后人更加精確測定回歸年長度為365又1/4日。

歷史上采用過的紀年方法有王位紀年法、歲星紀年法、太歲紀年法、年號紀年法、干支紀年法等。自漢武帝元鼎元年（公元前116年）到民國（1911年），年號紀年法與干支紀年法一直并用，如1898年戊戌（干支紀年）變法，是光緒二十四年。

2.月相的變化使先民掌握了時間長度“月”。至遲到春秋時期觀測出月相從滿月（望）到下一個滿月平均需要29.53日。12個月約為354日，與回歸年365又1/4日相差11日強。每三年差33日多，超過一個月。古人為調配月與回歸年的長度，采用了“置閏”的方法，保證月份與季節的相應。春秋時期，天文學家已經掌握了十九年七閏的規律。調配年、月、日的關系，是中國古代歷法的主要任務，也是歷史上頻繁改歷的原因。

3.古人觀恒星，北極與北斗總是聯系在一起，以此定方位、定季節時令。北極星代表正北方向。北斗七星圍繞北極星轉動。《鹖冠子·環流》所載：“斗柄東指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬。”古人很早發現四季交替與北斗七星運行有必然聯系。

二十八宿在黃道帶附近，日月五星穿梭于其間。古人用角度表示二十八星宿的距離，并以此來確定太陽、月亮、五星的位置。《漢書·律歷志·距度》所載是春秋時期的天象數據，見下圖張氏星歷表（見【表二】）外圈二十八宿名稱上方的數字。每過一天，二十八宿便向西運行一度。每過一月，二十八宿向西行約三十度。

古人通過“觀象授時”，至戰國時已形成完整的二十四節氣。這是一套農事歷，指導農耕生產，每一節氣均與二十八宿、北斗的運行、土圭測影長度、各地物候相關聯。