三国两晋南北朝是天文学非常活跃的时期，不仅产生了一系列极为重要的新发现，而且在恒星观测、历法计算和天文仪器制造等方面也取得了不少新的成就，从而为中国天文学的进一步发展打下了良好的基础。
第一节星官体系与全天星图研究
日月五星运动规律需要建立参考体系，制作浑象需要将星象缀刻在仪器上，因此天体运动的研究和天文仪器的研制，要求加强恒星观测工作并提供一种含星较多的星官体系。先秦典籍和甲骨卜辞中已记载有不少星官名称。湖北随县曾侯乙墓中出土的二十八宿漆箱盖图案，说明在公元前433年以前已经形成了北斗二十八宿这一星官体系。汉武帝时，司马迁在《史记·天官书》中，综合以前各星占学派使用的星官，建立起一个有五宫二十八宿共计558颗星的星官体系，这是中国古代第一个完整的星官体系。这一体系中的星官与西方天文学中的星座大同而小异。星座是指许多恒星组成的视觉图案，星官则有两个以上恒星组成的组合，也有单个的恒星，所以星官一般比星座小。在此以后，史籍中还有一些关于天文图籍和星官的零星记载，但总的说来，汉代以前对全天恒星系统的认识仅限于二十八宿及其外的某些星组。此外，社会上使用星官最多的是天文星占家。但长时间形成的不同星占学派，由于对星空的认识和占卜方法的不同，因而各自有常用的星官体系，其中最著名的是甘德、石申和巫咸三大家，于是也就有甘、石、巫咸三派星官体系。《史记·天官书》不区分三家星，在实用中不完全适合不同流派星占家的需要。在魏晋南北朝时期，根据社会需要和在前人成就基础上，对全天星名、星数进行一次总结，建立一种既能区分三家星又是统一体的新星官体系，已是必要的和条件成熟的工作。这项工作由三朝太史令陈卓完成了。陈卓大约生活在3世纪下半叶至4世纪初，年轻时任孙吴太史令，曾作《浑天论》，其观点与王蕃大致相同。晋灭吴后，他由吴都建邺（今南京）到洛阳，任晋太史令，后因年迈离职。316年西晋亡，陈卓重返江东，次年在东晋都城建康（今南京）复为太史令。据《晋书·天文志》载，“武帝时，太史令陈卓总甘、石、巫咸三家所著星图，大凡二百八十三官，一千四百六十四星，以为定纪”。陈卓把当时主要的三家星汇集在一起，并同存异，编成283官、1464颗星的星表，并绘制出总括三家星官的全天星图，还写了占赞文字。陈卓的成果对后世有很大影响，他所总结的全天星官名数一直是后世制作星图、浑象的依据，在我国历史上沿用了一千多年。我们现在见到的星图和星表，如著名的敦煌星图、苏州石刻天文图、常熟石刻天文图等，其所收星官数都未超过陈卓星图，直到明末西方星图和星表知识传入后才有所突破。另据记载，刘宋元嘉年间太史令钱乐之两次铸造浑象，将全天恒星标在浑象上，他所用的就是陈卓所定283官1464星，并用朱、白、黑和黄、白、黑三种不同的颜色来区分三家星。陈卓也是一位大星占家，不仅为星图加注占赞词语，而且撰有《天官星占》10卷、《万氏星经》7卷等星占著作。陈卓的星表、星图和著作均已失传，但仍有不少材料为他人所引用，如《开元占经》中收有许多陈卓占语，在敦煌写本中还发现一首反映他的星官体系的《玄象诗》。写有《玄象诗》的敦煌卷子现存法国国家图书馆，编号分别为P2512和P3589号，P2512抄于唐武德四年（621），P3589卷末有“太史令陈卓撰”，可知此诗系陈卓所写。这首诗分别按石氏、甘氏和巫咸氏三段吟诵三家星，最后一段专写紫微垣。《玄象诗》是研究魏晋时期星官体系的重要资料。唐代学者王希明《丹元子步天歌》也介绍了陈卓所总结的星官体系。
第二节天文仪器的研制和革新
据今所知，三国时期，蜀、魏都没有制作天文仪器的记录，而孙吴则在制作仪象方面很有成就，如王蕃依据张衡旧制制成一台小型浑象，葛衡也制造一台浑象，其特点为“使地居于中，以机动之，天转而地止，以上应晷度”①。天文学家陆绩还制造了一台卵形浑象。
西晋末年，中原匈奴族政权前赵制成测量用浑仪。此仪由史官丞南阳孔挺设计制作，成于刘曜光初六年（323）。这台仪器是很重要的，因为对于在此以前使用过的浑仪，仅有片言只语的记载，而孔挺浑仪则是第一台留下详细资料的仪器，通过它可以进一步了解汉代浑仪的基本结构。据《隋书·天文志》所载，孔挺浑仪系铜制、由内外两重组成，外重由三个相交的大圆环构成浑仪的骨架，并由四柱支撑着外重骨架；内重是用轴固定在骨架上的可转动的双环，双环直径八尺，双环之间夹置一具可以俯仰的望筒①，也长八尺。由于年重的转动轴一为天北极，另一为天南极，所以这架仪器可以方便地测量天体的赤道坐标。在孔挺以前时间最近的同类仪器当属东汉永元十五年（103）左中郎将贾逵的黄道铜议，由于该仪加有黄道，所以必为三重结构，比较繁杂，且不易使用②。孔挺显然注意到这个问题，于是将自己的仪器改为两重结构，去掉了黄道环。
东晋义熙十四年（418），宋高祖刘裕于咸阳之战后，得到孔挺所制浑仪，并在称帝后，将其运至首都建康（今南京）。刘宋元嘉年间，社会稳定，经济发展，颇好历数的宋太祖刘义隆认为这台浑仪虽然很好，但在仪器上着不到日月五星和恒星星象③，是个缺欠，因而诏令太史令钱乐之制作新仪。钱乐之于元嘉十三年（436）铸成有别于浑仪的浑象。他的新浑象继承和发展了东吴的浑象制作技术，特别是受到葛衡仪器的影响，其结构与张衡的仪器有所不同。新浑象将地平置于球内，地平面将大圆球一分为二，半覆地上，半没地下。在球上缀以星象，在黄道上布以日月五星①，以水力推动，昏明中星与天相应。为了与地平放在球外的浑象区别，按宋代苏颂等人的称呼可称之为浑天象②。元嘉十七年（440），钱乐之又制成一台小型的浑天象，直径只有二尺二寸，便于搬动，使用起来更加方便。浑天象与浑象功能相同，本质上是一回事，但由于结构变化，工艺要求更高一些。球内地平表示人居住的大地，如果要在球外能看到球内的大地和大地上的装饰，这就要求球必须有相当的透明度。其具体制作方法，现在已难于查考，可能在铸好的骨架上蒙上细铜丝编成的铜网，做成透明网球；也可能蒙上纺成的细纱，再缀以星体。总之制作难度较大，这也反映了当时工艺水平的提高。
浑天象在当时发挥了很好的作用，因为天包着地，所以它比浑象更形象①见《隋书·天文志》。
①《隋书·天文志》：“其双轴之间，则置衡长八尺，通中有孔，圆径一寸，..衡既随天象东西转运，又自于双轴得南北低仰。..其仪至梁尚存，华林重云殿前所置铜仪是也。”②《后汉书·律历志》：“黄道与度数转运，难以候，是以少循其事。”③《宋书·天文志》：“高祖平长安，得衡旧器，仪状虽举，不缀经星七曜。”①《宋书·天文志》：“诏乐之更铸浑仪..地在天内..规二十八宿..置日月五星于黄道之上，以水转仪。”
②见苏颂《进仪象状》。
地演示出浑天说的精髓，更符合浑天说者的原话。据《隋书·天文志》载，刘宋天文学家何承天论浑天象体就说过“详寻前说，因观浑仪，研求其意，有悟天形正圆，而水居其半，地中高外卑，水周其下”。何承天观察了仪器演示后对天体浑圆，有了新的领悟，但他仍相信盖天说的观点，把地说成中间高四周低的弧面。浑天象实际上并不是单纯的演示仪器，它也是研究日月五星运动规律的有力工具。根据实际观测得到的七曜相对于周围恒星的位置，可以较准确地将其分别安置在黄道的不同部位，然后通过不断观测，可以了解它们相对于恒星的运动规律，从而测算出行星的会合周期。钱乐之的仪器还有一个十分突出的特点。据《宋书·天文志》说，那台小浑天象“安二十八宿中外官，以白黑珠及黄三色为三家星”；而大浑天象，则用朱、白、黑三种颜色分别表示甘、石、巫咸三家星。显然，他将陈卓的星官体系固化到了仪器上，尽管后来陈卓的图录失佚，但钱乐之的仪器却历经宋、齐、梁、陈、隋五个朝代，为陈卓星官体系的保存和传播，起了重要的作用。刘宋以后梁代也制作过浑象，《隋书·天文志》载“梁秘府有，以木为之。其圆如丸，其大数围。南北两头有轴，遍体布二十八宿、三家星、黄赤二道及天汉等。别为横规环，以匡其外。”这是一台大型浑象。在大木球外匡以地平圆环，所以它与钱乐之的浑天象地平在内结构不同。这一变化也在一定程度上反映了人们天文知识的进步。
在南朝热衷于制造各种浑象的时候，与南朝对峙的北魏却对制造浑仪极为热心。北魏天兴初年（398）太祖拓跋珪命太史令晁崇制作浑仪。仪器完成后晁崇升迁为中书侍郎令，可惜后来又为拓跋珪所杀害。永兴四年（412）明元帝拓跋嗣又诏造太史候部铁仪，由鲜卑族天文学家都匠斛兰铸成铁浑仪，这是我国历史上唯一的一台钦制浑仪。《隋书·天文志》说它分内外两重，“用合八尺之管，以窥星度”。永兴铁浑仪的基本结构与前赵孔挺浑仪大致相同，但又有新创造。如在底座上铸有十字形水槽，以便注水校准水平，这是在仪器设备上利用水准器的开端。后魏铁制浑仪是一台质量很高的仪器，北魏灭亡后，历经北齐、后周、隋、唐几个朝代一直使用了二百多年，直到唐睿宗景云二年（711），天文学家瞿昙悉达还奉敕修葺此仪，可见其使用寿命之长。
除浑仪和浑象的研究和改进外，公元5世纪北魏道士李兰还发明了秤漏，在改革计时装置方面作出了新的贡献。秤漏的原理是用渴乌（虹吸管）将漏壶中的水引入权器，然后称量水的重量以确定时间，“漏水一升，秤重一斤，时经一刻”①。秤漏简易、灵敏，可测量很短的时间间隔，并且可随时开始和结束，测量任意的时间区间，因此在隋唐时曾风行一时。
①见《初学记》。
第三节岁差的发现
冬至时刻太阳在黄道上的位置叫冬至点。我国早在战国时期，历法家们就把冬至点确定在牵牛初度②，意思是冬至点离牛宿距星的赤道宿度不到一度（古1°相当于今0.986°）。公元前104年制定太初历时，认为元封七年十一月甲子朔旦冬至“日月在建星”。《汉书·律历志》记载刘歆《三统历》认为经过一元后，日月五星“进退于牵牛前四度五分”。这说明汉代的实测证明冬至已经不在牵牛初度，而是在牛宿以西靠近斗宿的建六星附近。对于这一观察事实，思想保守的刘歆并没有在计算中使用，三统历中日月起算点仍采用牵牛初度。东汉贾逵测出冬至点既不在牵牛初度，也不在建星，而是在斗二十一度③，明确肯定了冬至点的改变。但他只是想到冬至点位置应予改正，而没有深究其中的规律。东晋天文学家虞喜（281—356），字仲宁，会稽余姚（今浙江余姚）人，“博闻强识，钻坚研微，有弗及之勤”，毕生专门从事学术研究。虞喜是一位相信天体运动遵从某种规律的天文学家。他注意到冬至点的改变，并且想到仅仅改正冬至点的位置，不能彻底解决问题。在中国上古时代，天文学家利用夜半、黄昏或拂晓时处于正南方的恒星来推算太阳在恒星间的位置，这就是历史上的昏旦中星方法。虞喜考察了历史上的观测记录并发现，唐尧时冬至日黄昏是昴星在正南方①，而他那个时代（约公元330年），却移到了壁宿。两宿之间相距很远，不可能用观测误差来解释，因此，他领悟到经过一个回归年之后，太阳并未在天上走一周天而回到原处，应该“每岁渐差”。所以他提出“天自为天，岁自为岁”的新概念。由此他估算从尧到东晋已历2700多年，从昴到壁有53度，并得出结论，天周与岁终岁岁微差，每50年会差一度，名为岁差。岁差现象是这一历史时期最重要的天文新发现之一，它使太阳在黄道上运行一周的恒星年和四季变化的周期——回归年（即太阳在黄道上从冬至点运行至下一个冬至点的时间间隔）这两个概念区分开来，对于历法推算和恒星位置的测定都有重大的作用。
②例如战国时期使用的一种历法《颛顼历》，定立春时刻太阳在营室五度。按古度太阳每日移动一度，立春前四十五日是冬至，可知立春太阳距冬至点45°，又根据阜阳出土式盘可知古度营室与牵牛宿度相差50°，可见太阳距牵牛初度为50°-5°=45°，即冬至太阳在牵牛初度。
③《后汉书·律历志》：“于赤道，斗二十一度也”。
①《尚书·尧典》：“日短星昴，以正仲冬”。
第四节太阳和五星视运动不均匀性的发现
太阳运动不均匀性的发现是继岁差之后这一历史时期又一最重要的天文发现。这一发现是公元6世纪天文观测家张子信作出的。张子信，生卒年不详，生活于北魏、北齐时代，清河（今河北清河）人。据《隋书·天文志》记载，他“学艺博通，尤精术数，因避葛荣乱，隐于海岛中”。在海岛上坚持了三十多年的观测，“专以浑仪测候日月五星差变之数”，从而发现“日行在春分后则迟，秋分后则速”，即太阳视运动的不均匀现象。张子信使用的仪器是浑象还是浑仪，史无明确记载。根据当时北方长于造浑仪，南方长于造浑象的情况判断，使用测量用浑仪的可能性较大。由于拥有实用的仪器，并进行了长期的观测，他的研究课题、手段和成果都处在当时一流的水平上。汉代天文学家发现月行有迟疾，刘洪还把关于月亮运动的不均匀性引入《乾象历》。由于月亮移动快，又有背景恒星作参照，相对来说这项研究比较容易，而太阳一天只移动大约一度，又无恒星直接参照，观测远为困难，所以张子信的研究工作，其难度要大得多。月行迟疾的发现导致定朔法的提出，太阳运动不均匀性的发现，导致定气法的提出，这对历法改革，特别是对日月合朔的计算和日月交食的预报是十分重要的。此外，张子信还发现了五星运动的不均匀性和视差对交食的影响。他的三大发现在历法史上都有重大的意义，并很快被具体应用到刘孝孙历、皇极历、大业历等历法中去。
第五节历法的进步
三国时蜀汉一直沿用后汉《四分历》，吴用《乾象历》，曹魏于景初元年（237）颁用《景初历》。晋改《景初历》为《泰始历》继续使用，后秦使用姜岌《三纪历》，北凉用赵■《元始历》。南朝刘宋于元嘉二十二年（445）颁用何承天《元嘉历》，南齐《建元历》实为《元嘉历》。梁天监九年（510）改用祖冲之《大明历》，陈继续使用到南朝亡。北魏自颁的历法有李业兴为主编制的《正光历》，东魏时用过李业兴新编《兴和历》，北齐颁用《天保历》，北周颁用过《天和历》和《大象历》。
在以上提到的历法中，刘洪的《乾象历》以引进月行迟疾为其创新，在计算日月交食时，用月亮的实际运动位置代替平均位置；杨伟的《景初历》也论述了月离运动不均匀，提出了求日食食限的方法；赵■的《元始历》改变了一直使用的十九年七闰法，提出章岁600年设置221个闰月的新闰周，但其中最好的历法当数《元嘉历》和《大明历》。
何承天（370—447），东海郯（今山东郯城）人，曾任刘宋衡阳内史、著作左郎、太子率更令领国子博士、御史中丞等。少时曾随舅父徐广学习天文历算。徐广坚持对日月五星的观测长达40年，他去世后，何承天又坚持观测40年，积前后80年的实测资料而编《元嘉历》，可见该历有较好的观测基础。《元嘉历》的改革和成就主要有以下几个方面：利用日月食确定日度，这个方法是后秦姜岌发明的，何承天加以应用和推广，成为后世历法普遍采用的方法；根据实测中星和历史资料，推得岁差每百年差一度，改进了虞喜的岁差值，元嘉历采用回归年长度为365.2467日，优于汉代以来颁用过的各种历法；特别是何承天创用定朔算法，使朔望与月球实际位置相符，是中国历法史上的一大进步；据记载，何承天还创立了调日法的算法，在数学史上和历法计算上都有重要的意义。
祖冲之《大明历》的主要成就是：肯定“冬至所在，岁岁微差”，是第一部将岁差引入历法的创新历法，并为后世历家所遵循。祖冲之经实测定出当时冬至点已移到斗十五度，，经与后秦姜岌的观测值比较，发现不到百年冬至点已移动了二度，因而定岁差为45年11月差一度。他也认为十九年七闰不够精密，应该采用新闰周。他提出的新闰周是391年144闰，根据这一闰周推算出的交点月长为27.21223日，与今测值27.21222日只差十万分之一日；推算出的近点月为27.554688日，与今测值27.554550日相差不到十万分之十四日。大明历定回归年长为365.2428日，与今测值只差万之六日，朔望月长为29.53059日。《大明历》采用的其他一些数据也都是当时最好的数据。祖冲之于大明六年（462）上书刘宋政府献上《大明历》，但因遭到宠臣戴法兴的反对而未能颁行。他逝世后，他的儿子祖暅又于梁天监三年（504）和天监八年、九年三次上书，要求采用《大明历》。经实测检验新历为密，这部当时最好的历法终于在天监九年（510）正式颁用，实现了祖冲之的遗愿。，所以有“天周岁终”的说法。虞喜发现冬至点每岁都西移一小段距离，则太阳在黄道上经过一年到达下一个冬至点，需要再运行一小段距离才能回到原出发点，于是一周天就不等于一岁了。
第六节宇宙论
有关天地结构的讨论
在南北朝时代也是相当活跃的。汉代之前基本上有三家，就是盖天说、浑天说和宣夜说。南北朝时期又提出三种看法：“昕天论”、“穹天论”和“安天论”。前二种在历史上影响不大，值得一提的是“安天论”。它的作者就是发现岁差的虞喜。“安天论”的提出是有针对性的，因为当时社会上对宣夜说提出的观点难以接受，产生了一些误解，其中最突出的就是杞人忧天的故事。
东晋张湛为之作注的《列子·天瑞》篇载，有一位杞国人听到宣夜说认为日月星辰自然浮生虚空之中，就害怕天会掉下来，而地也会崩坏，于是，终日寝食不安，身无所寄。懂事的人解释说，日月星辰是积气所致，不会掉下来，即使掉下来也不会造成什么伤害；地是积块而成，到处都塞满了，人们仅仅在地上行走，怎么也踩不坏的。这则故事也反映出当时人们对天地的一种看法。虞喜的“安天论”发展了宣夜说的宇宙无限思想，认为天高没有边际，地深无法勘测，天在上有安定的形态，地在下有静止的实体，天地彼此覆盖，形象相似，天圆地方的说法是不对的。日月星辰各自运行，有它们自己的规律，就象江海有潮汐，万物有行止一样（见《晋书·天文志》）。除了上述看法，还有一派可称作“浑盖合一”派。北齐的信都芳和南朝梁代的崔灵恩都属这一派，他们认为浑天和盖天是一致的，只是一个仰观，一个俯观，观测角度不同而已。浑天说和盖天说是人们对天地结构的不同阶段或不同角度的认识，各有其优点和局限性。各种学说可以取长补短，互相补充，以取得对自然现象的深入认识。但是，采取掩饰矛盾的作法甚至迁就错误的观点，将两种对立的看法。勉强地合而为一，则是不正确的。