La tradizione astronomica toscana può essere ricostruita a partire dal Medioevo: uno dei primi strumenti astronomici a noi pervenuti è, infatti, un antico marmo intarsiato collocato, intorno al Mille, nel Battistero fiorentino di San Giovanni, presso la Porta Nord. Si tratta di un segno solstiziale estivo che testimonia l'interesse scientifico per il moto apparente del Sole. Nel corso del secolo XIII il marmo fu spostato nella parte orientale del Battistero, per cui oggi non è più possibile valutarne la precisione.

Nel Medioevo, l'astronomia fu in gran parte subordinata all'astrologia alla quale forniva un supporto tecnico per il calcolo del moto dei corpi celesti. Uno dei più autorevoli trattatisti fu Guido Bonatti, le cui opere affrontarono i più importanti problemi astrologici ed astronomici. Bonatti operò spesso in Toscana e fu persino citato da Dante, che tuttavia lo mise in una bolgia infernale fra gli indovini e i maghi.

Nella Divina Commedia alcuni momenti del viaggio ultraterreno sono accompagnati da precisi riferimenti alle posizioni delle stelle, del Sole, dei pianeti e della Luna. Il poema implica una rappresentazione del cosmo secondo la quale l'insieme dei cieli ruota attorno alla Terra immobile, posta al centro dell'universo. Nel mondo dantesco le dottrine teologiche si uniscono alla cosmologia aristotelica e all'astronomia tolemaica. Il modello astronomico di Tolomeo, variamente modificato nel corso dei secoli, rimase per oltre un millennio il fondamentale punto di riferimento per l'organizzazione del cosmo, per la determinazione del calendario e per l'orientamento dei naviganti.

Nell'età dell'Umanesimo, fu elaborata un'immagine dell'universo che si richiamava ai principi della tradizione ermetica, ipotizzando segrete corrispondenze fra corpi celesti e parti dell'organismo umano. Il cielo veniva quindi studiato anche per comprendere la natura degli influssi astrali sugli accadimenti umani, avendo quindi riflessi nella medicina.

Nella cupolina della sagrestia vecchia della Basilica di San Lorenzo, si trova un'interessante immagine astronomica che rappresenta il cielo di Firenze del luglio 1442: l'estrema precisione dei dettagli fa supporre che l'autore si fosse avvalso dei suggerimenti di un astronomo, forse Paolo dal Pozzo Toscanelli, amico di Filippo Brunelleschi.

Intorno al 1475 Toscanelli costruì nella Duomo fiorentino uno gnomone che, per mezzo di un foro praticato in una lastra di bronzo (bronzina) alla base della lanterna della cupola, consentiva di controllare esattamente il momento del passaggio del Sole al solstizio d'estate, permettendo di correggere le tavole dei moti apparenti del Sole. Toscanelli fu anche un attento osservatore di comete; elaborò un metodo di rappresentazione cartografica costituito da un reticolo a maglie quadrate con le longitudini e le latitudini di grado in grado.

Nella seconda metà del Cinquecento, l'astronomo e matematico Egnazio Danti, cosmografo del Granduca, realizzò sulla facciata di Santa Maria Novella un quadrante astronomico e due cerchi equinoziali per studiare il moto apparente del Sole. Egnazio Danti, chiamato a Roma da Gregorio XIII, fece parte della commissione incaricata di correggere il calendario fino ad allora adottato. La riforma gregoriana, attuata nel 1582, fece slittare il calendario di dieci giorni, cosicché al giovedì 4 ottobre seguì immediatamente il venerdì 15 ottobre.

Tra il XV e il XVII secolo erano attivi in Toscana abili costruttori di orologi solari e notturni, globi celesti e terrestri, sfere armillari e quadranti. I membri della famiglia Della Volpaia furono tra i primi a firmare i prodotti della loro bottega. Alla fine del Cinquecento, Antonio Santucci di Pomarance, cosmografo del Granduca Ferdinando I de' Medici, realizzò, tra il 1588 e il 1593, un'imponente sfera armillare, oggi conservata all'Istituto e Museo di Storia della Scienza di Firenze. Con i suoi tre metri di altezza, la spettacolare "macchina del mondo" di Santucci rappresenta l'universo secondo la concezione tolemaico-aristotelica.

Con l'utilizzazione scientifica e metodica del cannocchiale, Galileo Galilei aprì l'era dell'astronomia telescopica. Appena puntato al cielo, lo strumento mostrò allo scienziato pisano un mondo mai osservato prima e gli permise di mettere in discussione i saperi tradizionali. Per questo motivo, fin dalle sue prime apparizioni in pubblico, il cannocchiale suscitò in alcuni ammirazione, in altri ostilità. Nonostante le critiche, l’uso di un mezzo artificiale che potenziava il senso della vista, descritto da Galileo nel Sidereus Nuncius del 1610, cambiò rapidamente le condizioni della ricerca, fino a quel momento fondata su osservazioni del cielo a occhio nudo. L’esigenza di perfezionare i cannocchiali trasformò l’ottica in una scienza degli strumenti e influenzò l’opera di scienziati come Keplero e Cartesio. Dai primi strumenti, che ingrandivano di poche volte l’oggetto osservato, si passò rapidamente a cannocchiali che avvicinavano l’immagine centinaia di volte. Abili costruttori, quali Evangelista Torricelli, Francesco Fontana, Eustachio Divini e Giuseppe Campani, realizzarono strumenti dalle capacità sempre maggiori, riducendo progressivamente i difetti ottici.

La prima testimonianza dell’adesione di Galileo all’ipotesi di Copernico, che pone il Sole al centro dell’universo, si trova in una lettera a Keplero del 1597, nella quale lo scienziato pisano affermava di essere copernicano già da molti anni. Le scoperte astronomiche del 1610, realizzate grazie al cannocchiale, vennero a confermare convinzioni già acquisite e dettero avvio alla cosmologia moderna. La scoperta che la Luna presenta valli e rilievi come la Terra, che la Via Lattea non è una parte più densa del cielo, ma un ammasso impressionante di stelle, e, infine, che Giove è circondato da quattro satelliti distrusse i fondamenti della cosmologia aristotelico-tolemaica. Successivamente, Galileo effettuò altre importanti osservazioni: le strane apparenze di Saturno, le fasi di Venere e le macchie solari.

Tra il 1613 e il 1615, lo scienziato pisano scrisse le quattro famose Lettere copernicane nelle quali definiva i rapporti fra scienza e fede: gli scienziati dovevano indagare la natura, mentre i teologi dovevano trovare un accordo tra le verità scientifiche e gli assunti dei testi sacri in contrasto con tali verità. Nella lettera a Cristina di Lorena, granduchessa di Toscana, Galileo affermava che l’intenzione dello Spirito Santo è «d’insegnarci come si vadia al cielo, e non come vadia il cielo». Note sono le vicende legate al processo che lo scienziato subì per le sue convinzioni.

Lo spirito della ricerca scientifica di Galileo fu ereditato dagli accademici del Cimento, che effettuarono anche alcune osservazioni astronomiche e favorirono l'evoluzione tecnica del cannocchiale. Durante i dieci anni di attività dell'Accademia, Giovanni Alfonso Borelli elaborò una teoria del moto dei satelliti di Giove nella quale sviluppò i principi di Keplero e introdusse alcuni concetti che anticipavano la teoria della gravitazione di Isaac Newton.

Nel corso del Settecento furono create in Toscana alcune sedi stabili per la ricerca astronomica e meteorologica. La Specola di Pisa, costruita a partire dal 1735, fu uno dei primi osservatori pubblici italiani e il primo della Toscana. Rimasta attiva per quasi un secolo, ebbe come primo direttore l'astronomo e matematico Tommaso Perelli. Nel 1826, la torre astronomica a cinque piani, a causa della precaria stabilità, fu demolita. Il primo osservatorio di Firenze fu fondato nel 1756 da Leonardo Ximenes nel convento di San Giovannino. Seguendo una precisa volontà testamentaria dello Ximenes, nell'Osservatorio fu istituita una cattedra di astronomia, rimasta attiva fino alla metà dell'Ottocento. Un'altra cattedra di astronomia fu creata nel 1807 presso il Liceo di Scienze Fisiche e Naturali di Firenze.

Fra il 1780 e il 1789 fu realizzato nel Museo di Fisica e Storia Naturale di Firenze, per volere del Granduca Pietro Leopoldo, un osservatorio astronomico denominato "La Specola". Il centro rimase tuttavia privo di un astronomo stabile fino al 1807, quando fu nominato professore di astronomia del Liceo e direttore dell'Osservatorio Domenico De Vecchi. Dopo una ulteriore fase di stasi, nel 1825 arrivò alla Specola il francese Jean-Louis Pons, già direttore del piccolo Osservatorio pubblico del Ducato di Lucca.

Nel 1831 il Granduca Leopoldo II chiamò a Firenze il modenese Giovanni Battista Amici. Amici, noto anche per la sua attività di costruttore di microscopi e telescopi, creò, nei pressi della Specola, un'officina ottico-meccanica dalla quale sarebbero derivate le Officine Galileo. Insieme ad Amici lavorava Giovanni Battista Donati che effettuò i primi studi di astrofisica. Donati favorì ed organizzò il trasferimento della Specola dalla torretta di via Romana, ormai ritenuta inadeguata per l'infelice posizione, alla collina di Arcetri. Il nuovo Osservatorio fu inaugurato nel 1872: con esso iniziava la fase moderna dell'astronomia in Toscana.

Oltre ai luoghi storici sopra citati, la Toscana presenta oggi una rete di osservatori astronomici, molti dei quali gestiti da associazioni di astrofili, che svolgono una efficace attività didattica, di divulgazione e di ricerca. Il cielo può anche essere osservato "virtualmente" con l'ausilio del Planetario della Fondazione Scienza e Tecnica di Firenze. Situato all'interno di una cupola di 8 metri di diametro, il planetario permette di riprodurre il moto diurno o annuale dei vari corpi celesti, di simulare il cielo per una qualsiasi latitudine della terra e la precessione dell'asse terrestre. Opportune combinazioni dei moti consentono di visualizzare effetti particolari, come l'osservazione del cielo da una stazione spaziale o dalla Luna.