Après leur développement rapide (la majorité des découvertes ayant déjà été faites à la moitié du IIè millénaire), les mathématiques vont être utilisés pour l'astronomie. Il faudra cependant attendre le Ier millénaire pour que cette discipline prenne son essor. C'est alors un domaine dans lequel excellent les Chaldéens, qui sont parmi les meilleurs astronomes du monde d'alors, et vont apporter leurs connaissances considérables à leurs homologues Grecs.

Les astronomes étaient nommés au premier millénaire "Tupshar Enuma Anu Enlil". Ils étaient en fait des prêtres ayant reçu une formation spéciale, et sachant lire et écrire. De ce fait, leur fonction est avant tout religieuse. C'est pour cela qu'ils sont à la fois astronomes et astrologues (c'est une différence pour nous, mais pas pour les Mésopotamiens. Ils officiaient dans les temples, qui ont de ce fait livré de nombreuses archives de textes astronomiques et astrologiques qui étaient gardées dans des salles spéciales.

L'astronomie se base avant tout sur l'observation du ciel, et principalement des étoiles. Le plus ancien texte astronomique exhumé est une liste d'observations des mouvements de la planète Vénus, très importante en Mésopotamie, puisqu'elle est identifiée à la déesse " Inanna " (Ishtar), couvrant tout le règne d'Ammi-saduqa, roi de Babylone entre 1646 et 1626. L'astrologie connaîtra son véritable développement au Ier millénaire. On a exhumé de nombreux compte-rendus d'observations des phénomènes météorologique à partir de la fin du VIIIè siècle. Les souverains assyriens et babyloniens l'encouragèrent, avant tout pour l'astrologie. Elle connut ainsi une période de progrès, et atteint son apogée sous la période séleucide, avant de passer le relai aux Grecs.

Les textes retrouvés ont une utilité particulière pour les historiens, puisqu'à partir des signalements d'éclipses, on peut connaître la date exacte de certains évènements. C'est à partir du signalement d'une éclipse de soleil, qui a eu lieu le 15 juin 763, sous le règne du souverain assyrien Assur-dân III (773-755), qu'on connaît avec précision la date des évènements ultérieurs de l'histoire mésopotamienne. Les souverains assyriens entreprendront un regroupement des observations astronomiques, et entretiendront un groupe important d'astronomes/astrologues autour du palais royal. De ce fait, ils aideront beaucoup l'essor de cette discipline.

Pour rendre compte de la position des astres, les astronomes se servaient de l'écliptique (le plan sur lequel la Terre tourne autour du Soleil, donc sur lequel on a l'impression que le Soleil se déplace vu de la Terre), pour évaluer la latitude, et ils avaient divisé le ciel en 12 zones constituées par des arcs de 30°, qui prirent le nom de la constellation principale qui s'y trouvait. Ce sont les signes du zodiaque, conservé depuis sous des noms différents. Généralement, les constellations mésopotamiennes sont les mêmes que les notres, à quelques variations près, comme la constellation dite de la Charrue, qui regroupe deux étoiles de notre constellation du Triangle et une de notre Andromède.

Vers -1000 av. J.-C. les astrologues Mésopotamiens connaîssent déjà toutes les planètes visibles à l'oeil nu, et ils a observent que toutes se lèvent à l'Est et se couchent à l'Ouest, en suivant dans le ciel la même trace que le Soleil : la bande où se déplacent ces astres est donc appelée "zodiaque". Une tablette babylonienne enregistre toutes les éclipses lunaires qui se sont produites entre le règne de Nabuchodonosor et l'an 317 avant JC (soit pendant 400 ans).
 

La longueur de l'année fut calculée à 0,001% près et, les mouvements du Soleil et de la Lune, étaient connus avec une marge d'erreur égale à trois fois seulement leur valeur selon les connaissances de notre XVIIème siècle.

Durant des centaines d'années les scribes ont tenu les rapports précis d'événements naturels sur la terre et dans le ciel afin de prévoir l'avenir. Les sumériens connaissaient parfaitement les "étoiles" de notre système solaire, et d'autres aussi. Deux mille ans plus tard, les Grecs parleront de "planêtes", terme qui signifie "vagabond". Assimilées à des divinités, les planètes porteront le nom d'un dieu grec puis romain. Les Mésopotamiens connaissaient au moins cinq planètes, Sihtu / Mercure (divinité: Nélo), Delebat / Vénus (divinité: Ishtar), Salbanatu / Mars (divinité: Nergal), Neberu / Jupiter (divinité: Marduck), Kayamanu / Saturne (divinité: Ninib). Mais très certainement avaient-ils des connaissances à propos d'autres planètes, certainement au moins 7, voir même beaucoup plus!

En Babylonie, le nombre sept était considéré comme néfaste et il était de coutume dans la classe aristocratique de ne rien entreprendre les 7, 14, 21 et 28 du mois. On peut voir dans ces faits à la fois l'existence d'une semaine de sept jours (qui aurait été interrompue puisque le mois comportait 30 jours) et les prémisses du repos hebdomadaire. Si on y ajoute le fait que les babyloniens (et, avant eux, les Sumériens) connaissaient sept "planètes" qu'ils rattachaient chacune à un dieu, on tient peut-être une explication à l'origine de la semaine de sept jours. Mais ce n'est qu'une hypothèse.
 
Les Babyloniens avaient constaté que, sur fond d'étoiles fixes, des astres se déplaçaient. Ils en comptèrent au moins 7 et, dès le XXe siècle avant notre ère, leur donnèrent le nom d'une divinité sans pour autant que l'astre soit identifié à la divinité. Pour prendre un exemple, on disait "l'astre de Mars" et non pas "Mars". Par la suite, l'expression disparut au profit du nom simple.