Babilonia fue una antigua ciudad de la baja Mesopotamia. Ganó su independencia durante la Edad Oscura, tras lo cual se convirtió en capital de un vasto imperio bajo el mandato de Hammurabi (siglo XVIII a.C.).A partir de ese momento fue un gran centro religiosoy cultural.
Actualmente sus ruinas, parcialmente reconstruidas a finales del siglo XX, se encuentran en la provincia iraquí de Babil, 110 km al sur de Bagdad.
La astronomía en Babilonia se ocupa de las teorías y los métodos astronómicos desarrollados en la antigua Mesopotamia. La tierra comprendida entre los ríos Tigris y Eufrates, donde se encontraban los antiguos reinos de Sumer, Acad, Babilonia y Caldea, y que actualmente conocemos por Iraq.
La astronomía surgida en Babilonia fue la base de muchas de las tradiciones astronómicas desarrolladas posteriormente por griegos y helenos, pero también por la astronomía clásica de la India, por la de los imperios sasánida, bizantino y sirio, así como por la astronomía islámica medieval y la europea occidental.
Aunque la astronomía de los sumerios era más bien básica, ejercieron sin embargo una importante influencia en la sofisticada astronomía de los babilonios.Con ellos comenzó, la teología astral, la cual otorgaba a los reyes planetarios un importante papel en la religión y en la mitología de Mesopotamia; y es entre los sumerios donde surge en torno al 3500-3000 a.C. la escritura conocida como cuneiforme. Los sumerios utilizaron también un sistema de numeración posicional sexagesimal (base 60), que simplificaba la tarea de registrar tanto los números muy grandes como los muy pequeños, y fueron los primeros en 
dividir un círculo en 360 grados de 60 minutos cada uno.
Durante los siglos VIII y VII a. C., los astrónomos babilonios, que al estudiar la filosofía se ocuparon de la naturaleza ideal del universo, fueron los primeros en desarrollar una nueva aproximación empírica para la astronomía. De hecho fueron los primeros en dotar a sus sistemas predictivos planetarios de cierta lógica interna.
Fue una importante contribución a la astronomía y a la filosofía de la ciencia y algunos eruditos se refieren a este nuevo enfoque como la primera revolución científica. Esta nueva manera de enfocar la astronomía sería posteriormente adoptada y desarrollada en la astronomía griega y helenística.
Las fuentes clásicas griegas y latinas usan frecuentemente el término caldeos al referirse a los astrónomos de Mesopotamia. En realidad, estos astrónomos solían ser sacerdotes escribas especializados en astrología y en otras formas de adivinación.
Se desarrolló durante y después de la Primera Dinastía Babilónica y antes del imperio Neo Babilónico.
Los babilonios fueron los primeros en darse cuenta de que muchos de los fenómenos astronómicos son periódicos y en aplicar las matemáticas a sus predicciones. Tablillas que se remontan al periodo babilónico antiguo documentan la aplicación de las matemáticas al cálculo de la variación de la luz del día durante un año solar. Cientos de observaciones babilonias de los fenómenos celestes se encuentran registradas en las series de tablillas cuneiformes conocidas como Enûma Anu Enlil. El texto astronómico más antiguo que poseemos es la tablilla 63 del Enûma Anu Enlil, la tablilla de Venus de Amnisaduqa, el cual lista la primera y la última salida visible de Venus durante un periodo de aproximadamente 21 años. Es la evidencia más antigua del reconocimiento del carácter periódico de los fenómenos planetarios.
El MUL.APIN contiene catálogos de estrellas y constelaciones, esquemas para predecir ortos y ocasos helíacos de los planetas, así como duración de la luz del día, medida mediante relojes de agua, gnomos, sombras etc. También hay decenas de textos cuneiformes de 
Mesopotamia con observaciones reales de eclipses, principalmente de Babilonia.
Es la astronomía desarrollada por los astrónomos caldeos durante los periodos neo-babilónico, seleucida y pharto de la historia de Mesopotamia.
Durante el reinado de Nabonassar (747-733 a. C.), fundador del Imperio Neo- Babilónico, se produce un significativo aumento en la calidad y frecuencia de las observaciones astronómicas en Babilonia. Los registros sistemáticos de fenómenos de mal agüero en los diarios astronómicos que comienzan en esta época dan cuenta, del descubrimiento de un ciclo de eclipses lunares con un periodo de 18 años.
El astrónomo egipcio Ptolomeo usó el reinado de Nabonassar para fijar el comienzo de una era, al percatarse de que las observaciones más antiguas databan de esa época.
Durante Imperio Seleucida (323-60 a. C.) tuvieron lugar las últimas etapas en el desarrollo de la astronomía babilonia. En el siglo III a. C., los astrónomos empiezan a recopilar registros de observaciones anteriores para poder encontrar la repetición o periodicidad de fenómenos de mal agüero asociados a cada planeta. Por esta misma época, o poco después, los astrónomos elaboraron modelos matemáticos mediante los que poder predecir directamente estos fenómenos sin tener que consultar los registros de observaciones anteriores.
Muchos de los astrónomos caldeos se ocuparon exclusivamente de efemérides y no de cuestiones teóricas. Los modelos planetarios predictivos de Babilonia fueron estrictamente empíricos y aritméticos, y no implicaron normalmente especulaciones geométricas, cosmológicas o filosóficas, como las de los modelos helenísticos, si bien los astrónomos de Babilonia, en sus indagaciones filosóficas se habían ocupado de la 
naturaleza ideal del universo primitivo.
De las contribuciones hechas por los astrónomos caldeos durante este periodo, cabe destacar el descubrimientos del saros, un ciclo de eclipses con un periodo de 18 años, 11 días, 8 horas - aproximadamente 6585? days-, que puede usarse para predecir los eclipses del Sol y de la Luna, y muchas otras observaciones astronómicas de gran exactitud.
Entre los astrónomos caldeos de los que se sabe que siguieron este modelo se encuentra Naburimannu, Kidinnu (330 a. C.), Berossus (siglo III a. C.), y Sudines ( 240 a. C.), los cuales tuvieron una influencia significativa en el astrónomo griego Hiparco, en el astrónomo egipcio Ptolomeo, así como en otros astrónomos helenísticos.
Por los escritos de Plutarco sabemos que el astrónomo caldeo Seleuco de Seleucia (190 a. C.) defendía un modelo heliocéntrico para el movimiento planetario en el que La Tierra giraba entorno a su propio eje, el cual giraba a su vez en torno al Sol. Se cree que Seleuco podría incluso haber llegado a probar este sistema heliocéntrico si bien se desconoce los argumentos que habría utilizado. Argumentos que, según Lucio Russo, estarían relacionados con el fenómeno de las mareas. Según Estrabon, Seleuco fue el primero en establecer que las mareas son debidas a la atracción de la Luna y que la altura de dichas mareas depende de la posición relativa de la Luna respecto al Sol.
Según Bartel Leendert van der Waerden, Seleuco pudo haber probado la teoría heliocéntrica sirviéndose de un modelo geométrico y desarrollando posteriormente métodos para calcular mediante él las posiciones planetarias. De hecho pudo haber usado métodos trigonométricos disponibles en esa época ya que fue contemporáneo de Hiparco.
El calendario babilónico era un calendario lunisolar en el que los 
años constaban de 12 meses lunares, comenzando cada uno con la luna nueva, más un mes intercalado siempre que fuera necesario. Este calendario se basaba en uno sumerio conservado en el calendario de Umma de Shulgi (siglo XXI a. C.).
A diferencia de lo sucedido con los descubrimientos de los griegos y helenos en el campo de la matemática o de la astronomía, muchos de cuyos trabajos han llegado hasta nuestros días o bien han sido conocidos a través de referencias posteriores, los logros en estos campos de las primitivas civilizaciones del cercano Oriente, especialmente las de Babilonia, permanecieron olvidados durante mucho tiempo. Desde el descubrimiento de la clave arqueológica en el siglo XIX, se han encontrado numerosos escritos cuneiformes en tablillas de arcilla relacionados con la astronomía. Muchas de estas tablillas astronómicas han sido descritas por Abraham Sachs y posteriormente publicadas por Otto Neugebauer en Astronomical Cuneiform Texts (ACT).
El redescubrimiento de la civilización de Babilonia, ha puesto de manifiesto la importante influencia de los caldeos en la astronomía helenística. Las influencias mejor documentadas son las de Hiparco (siglo II antes de la Era Cristiana) y Claudio Ptolomeo (siglo II de la Era Cristiana).
Está claro que tanto Hiparco como Ptolomeo dispusieron de una lista completa de observaciones de eclipses que cubrían varios siglos. Muchas de ellas recopiladas de las tablillas de arcilla que registraban todas las observaciones relevantes que los caldeos hacían de manera rutinaria. Los ejemplos conservados datan del 652 a. C. al 130 d. C., pero probablemente los registros se remontan hasta el reinado del rey Nabonassar de Babilonia: Ptolomeo comienza su cronología con el primer día en el calendario egipcio del primer año de Nabonassar, es decir, 26 de febrero del 747 a. C.
Muchos estudiosos están de acuerdo también en que el ciclo metónico es posible que los griegos lo aprendieran de los escribas babilonios. Meton de Atenas, un astrónomo griego del siglo V a. C., desarrolló un calendario lunisolar basándose en el hecho de que 19 años solares equivalen a 235 meses lunares, relación ya conocida por los babilonios.
En el siglo IV a. C., Eudoxo de Cnido escribió un libro sobre las estrellas fijas. Sus descripciones de muchas constelaciones, especialmente de las de los doce signos del Zodíaco, son sospechosamente similares a las de los babilonios. En el siglo siguiente, Aristarco de Samos utilizó el ciclo de los eclipses de los babilonios, conocido como Saros, para determinar la duración de un año. Sin embargo, todos estos ejemplos de primitivas influencias no pasan de ser meras conjeturas pues se desconoce la cadena de t
ransmisión.
Todos estos conocimientos debieron de ser trasferidos a los griegos inmediatamente después de la conquista de Alejandro Magno (331 a. C.). Según el último filósofo clásico Simplicio (siglo VI d.C.), Alejandro ordenó la traducción de los registros astronómicos históricos, bajo la supervisión de su cronista Calístenes de Olinto, quien se lo envió a su tío Aristóteles. Habría que mencionar aquí que, aunque Simplicio es una fuente muy tardía, su información podría ser fiable.
En cualquier caso, la traducción de los registros astronómicos requería un conocimiento profundo de la escritura cuneiforme, de la lengua, y de los procedimientos, por lo que parece bastante probable que fuera realizada por caldeos no identificados. Ahora bien, los babilonios fechaban sus observaciones en su calendario lunisolar, en el que los meses y los años tienen duraciones variables (29 0 30 días; 12 o 13 meses respectivamente), lo que unido a la no utilización de un calendario regular (tal como el basado en el ciclo Metónico), hacía sumamente tedioso el cálculo de los intervalos temporales entre sucesos.
La capital del Imperio Sasánida, la ciudad de Ctesiphon, fue fundada en Mesopotamia. 
La astronomía fue estudiada por los persas y babilonios en Ctesiphon y en la Academia de Gundishapur en Persia. Muchos de los textos astronómicos del periodo Sasánida fueron escritos en la lengua Persa. El Zij al-Shah, una colección de tablas astronómicas recopiladas en Persia y Mesopotamia durante dos siglos, fue el texto astronómico más famoso del periodo sasánida, y fue traducido posteriormente al árabe.
Después de la conquista por los árabes de Persia, la provincia de Mesopotamia empezó a ser conocida como Iraq en la lengua árabe. Durante el periodo Abasida de la historia de Mesopotamia, Bagdad fue la capital del Imperio Árabe, y hasta su saqueo en 1258, el centro de la actividad astronómica en todo el mundo Islámico.
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