Babylončania boli skvelými astronómami. Ich poznatky prevzali všetky národy, ktoré sa zaujímali o prírodné vedy, z ich blízkeho ale aj vzdialenejšieho okolia. Väčšina babylonských astronomických textov bola napísaná v rokoch 650-50 pred Kr. Boli vryté do hlinených tabuliek a nazývajú sa astronomické diáre (alebo záznamy). Takýto typický záznam začína údajom o dĺžke predchádzajúceho mesiaca dlhého 29 alebo 30 dní, potom sa spomína čas medzi západom Slnka a západom Mesiaca v prvý deň po nove, ďalej čas medzi západom Mesiaca a východom Slnka, a medzi východom Mesiaca a západom Slnka, keď je spln. Zaznamenaný je aj interval medzi východom posledného viditeľného kosáčika a východom Slnka na konci mesiaca. Babylončania rovnako zaznamenávali významné body v obehoch planét, ich polohu (aj polohu Mesiaca) vzhľadom ku hviezdam, zatmenia Slnka a Mesiaca (prvý záznam o zatmení Mesiaca pochádza z 19. marca 721 pred Kr.), východy a západy Síria, dátumy slnovratov a rovnodenností, záznamy o počasí (ako napr. dúhy, povodne, atď.), rôzne významné udalosti (požiare, lúpeže, výboje), dokonca zaznamenávali aj hladinu rieky v Babylone. Pri orientovaní sa na oblohe používali 34 hviezd.

Na presné pozorovania používali niektoré astronomické prístroje ako napr. gnómon (tyč, ktorá vrhá tieň), vodné hodiny a astroláb, ktorý však vyzeral inak ako stredoveký. Napriek tomu je o ich prístrojoch málo známeho.

Babylončania prevzali kalendár od Sumerov. No v neskoršej dobe asi okolo roku 1000 pred Kr. vkladali mesiace podľa 8-ročného cyklu, vtedy vkladali 3 priestupné mesiace. Metonický cyklus (19 rokov a 7 mesiacov navyše, čiže 235 mesiacov) sa používal za vlády Chaldejských kráľov v 612-539 pred Kr. Bol zosynchronizovaný s heliakálnym východom Síria. Tiež sa stávalo, že kráľ vyhlásil kedy sa môžu vkladať mesiace. Babylonský nový rok nezačínal v zime, ale na deň jarnej alebo jesennej rovnodennosti. Volal sa Akitu. Záznamy zo starobabylonského obdobia hovoria, že najskôr sa začínal na jeseň, a až neskôr sa začínal na jar.

V starovekom Babylone hrali bohovia veľkú úlohu. Babylončania verili, že bohovia dokážu meniť deň na noc, zimu na jar, dokážu rozvodniť rieku, dokážu hýbať časom a priestorom, teda celým svetom. V staroveku sa často spájali s planétami a nielen s nimi. Slnko nazývali bohom Šamašom. Ľuďom dal zákon, ktorý spísal a zaviedol Chammurapi do bežného používania. Jupiter bol bohom Mardukom, kráľom bohov. Bohyni plodnosti a lásky Ištar bola priradená planéta Venuša. Merkúr sa nazýval Nebo a vďaka svojej rýchlosti pri obehu okolo Slnka bol považovaný za posla bohov. Mars bol vďaka svojej červenej farbe spájaný s krvou a vojnou. Babylončania ho volali Nergal. A planétu Saturn, boha roľníctva nazývali Ninib. Mesiac sa volal Sin a Zem bola bohyňou Aruru. Babylončania zaviedli aj zvieratníkový systém 12 súhvezdí, cez ktoré prechádza Slnko a pomenovali niekoľko hviezd, ktorých mená sa zachovali dodnes (Nunki - Sigma Sgr, Sargas - Theta Sco).

Astronomický portál