古希臘天文學家托勒玫的「地心說」認為天空是由一層又一層的「天球」組成的，恆星則固定在最外層天球上。
天空真是球形的嗎？為何人們都有如此相似的感覺？其實這是一種錯覺，產生這種錯覺的原因，是因為星星太遙遠了，我們完全無法判斷哪顆星離得近，哪顆星離得遠， 以至於我們認知的距離感喪失了，錯認為每顆星到我們的距離都是一樣的，因此我們看到的天空就如同一個球形。
雖然這種「天球」的感覺是因錯覺造成的，但在天文觀測中，我們卻可以藉助「天球」的概念來標定天體在天空的位置。在天文觀測中的天球，是以觀測者為中心， 以無窮遠為半徑假想出的巨大球面。既然這個球面是無窮遠的，那麼我們也不用顧及哪顆星星距離我們遠，哪顆星星距離我們近，而是把它們統一當作無窮遠的天體來看待。這樣一來，我們只需要在天球上畫出網格座標，就可
以透過經度和緯度來記錄天體的位置及變化。當天文學家透過望遠鏡觀測時，用這些座標數字就可以準確地找出天體。
為了形象表示天球，人們也製作出了天球儀。中國漢代的渾象和西方古羅馬時期的法爾內塞天球都是早期天球儀的代表。天球儀和地球儀樣子差不多，也有南北極和赤道。不過地球是真實存在的，天球是假想球。天球上畫的不再是地面上的河流山川，而是天上的日月星辰。相對於地球儀而言，天球儀上的座標要複雜得多，除了常用的赤道座標系，還有根據太陽運行的軌道平面建立的黃道座標系，根據銀河系的盤面建立的銀道座標系，根據觀測地的地平線建立的地平座標係等，它們都可以用來記錄各種天體的位置。
三維的天球儀是以天球之外觀察者的角度來設計的，因而同地球上看到的方位剛好相反，使用並不方便。更常用的是投影後的二維星圖。位於蘇州的南宋石刻天文圖就是這樣畫出來的。