历法源于天文，古代天文与历法是一回事。夏、商、周三代处于观象授时时期，直到战国初公元前427年发明《殷历》“甲寅元”（四分历），中国才进入历法时代。“观象授时”语出《尚书·尧典》：“历象日月星辰，敬授民时。”华夏先民观天象的目的是“授时”，这与西方天文学有很大不同。
1.观察太阳的运行规律，古人形成了“日”与“年”的时间概念。太阳东升西落，一个白天一个夜晚合为一日。中国古代最主要纪日方法是干支法，即运用十天干（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）组合成六十甲子循环纪日。早在殷商甲骨卜辞中，就有“己巳卜，庚雨”“乙卯卜，翌丙羽”之辞。据可靠资料，公元前720年，春秋时期鲁隐公三年二月己巳日至今近三千年，干支纪日从未间断过，成为世界上迄今所知最长的纪日文字记载。
古人立竿测景（影），日影最长的一天定为冬至日，夜晚最长。日影最短的一天为夏至日，白昼最长，每年春夏秋冬循环一次。《尚书·尧典》载“期三百有六旬有六日”，表明夏商时期古人已确定回归年长度为366日，即从冬至到下一个冬至的时间（称为一“岁”）。至迟到春秋时期，后人更加精确测定回归年长度为365又1/4日。
历史上采用过的纪年方法有王位纪年法、岁星纪年法、太岁纪年法、年号纪年法、干支纪年法等。自汉武帝元鼎元年（公元前116年）到民国（1911年），年号纪年法与干支纪年法一直并用，如1898年戊戌（干支纪年）变法，是光绪二十四年。
2.月相的变化使先民掌握了时间长度“月”。至迟到春秋时期观测出月相从满月（望）到下一个满月平均需要29.53日。12个月约为354日，与回归年365又1/4日相差11日强。每三年差33日多，超过一个月。古人为调配月与回归年的长度，采用了“置闰”的方法，保证月份与季节的相应。春秋时期，天文学家已经掌握了十九年七闰的规律。调配年、月、日的关系，是中国古代历法的主要任务，也是历史上频繁改历的原因。
3.古人观恒星，北极与北斗总是联系在一起，以此定方位、定季节时令。北极星代表正北方向。北斗七星围绕北极星转动。《鹖冠子·环流》所载：“斗柄东指，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。”古人很早发现四季交替与北斗七星运行有必然联系。
二十八宿在黄道带附近，日月五星穿梭于其间。古人用角度表示二十八星宿的距离，并以此来确定太阳、月亮、五星的位置。《汉书·律历志·距度》所载是春秋时期的天象数据，见下图张氏星历表（见【表二】）外圈二十八宿名称上方的数字。每过一天，二十八宿便向西运行一度。每过一月，二十八宿向西行约三十度。
古人通过“观象授时”，至战国时已形成完整的二十四节气。这是一套农事历，指导农耕生产，每一节气均与二十八宿、北斗的运行、土圭测影长度、各地物候相关联。
