这是中国古代天文学在体系形成之后，继续向前顺利发展的阶段，在历法、仪器、宇宙理论等方面都有不少的创新。

　　三国时魏国杨伟创制《景初历》(237年)发现黄白交点有移动：知交食之起不一定在交点，凡在食限以内都可以发生；又发明推算日月食食分和初亏方位角的方法。这些发现对于推算日月食有很大帮助。吴国陈卓把战国秦汉以来石氏、甘氏、巫氏三家所命名的星官(相当于星座)总括成一个体系，共计283星官、1464星，并著录于图。陈卓的星官体系沿用了一千多年，直到明末才有新的发展。葛衡在浑象的基础上发明浑天象，它是今日天象仪的祖先。浑天象是在浑象的中心，放一块平板或小圆球来代表地，当天球(浑象)绕轴旋转时，地在中央不动，这就更形象地表现了浑天说。

　　后秦的姜岌造《三纪甲子元历》(384年)，以月食来求太阳的位置所在，从而提高了观测的准确性。他又发现，日出日落时日光呈暗红色是地面游气的作用；天顶游气少，故中午时光耀色白，这是对大气选择吸收认识的开端。

　　东晋虞喜发现岁差，南朝祖冲之把它引进历法，将恒星年与回归年区别开来，这是一大进步。祖冲之测定一个交点月的日数为27.21223，同今测值只差十万分之一，堪称精确。

　　祖冲之之前的何承天在长期观测的基础上利用调日法求得更精密的朔望月数值，这在方法上是一改进。所谓调日法，即用某数的过剩分数近似值(强率)和不足分数近似值(弱率)来求更精确的分数近似值。

　　祖冲之之子祖(日恒)继承父业，也精于天文。他发现过去人们当作北极星的“纽星”已去极一度有余，从而证明天球北极常在移动，古今极星不同。

　　北齐(公元550～577年)张子信，致力于天文观测三十多年，发现太阳和行星的运动也不均匀；合朔时月在黄道南或黄道北，会影响到日食是否发生，而月食则没有这一现象。张子信的这些发现导致隋唐时期天文学的飞跃发展。

　　隋统一全国以后，首先使用的是张宾的《开皇历》。但《开皇历》粗疏简陋，经过激烈争论后，从开皇十七年(公元597年)起改用张胄玄的历法。这部历法又于大业四年(公元608年)修改，名《大业历》。《大业历》考虑到张子信关于行星运动不均匀性的发现，利用等差级数求和的办法来编制一个会合周期中的行星位置表，对行星运行的计算又提高了一步。

　　在《大业历》行用过程中，刘焯于604年完成《皇极历》，用等间距二次差内插法来处理日、月的不均匀运动，成为中国天文学的一个特点。刘焯还建议，发动一次大规模的大地测量来否定“日影千里差一寸”的传统说法，对这种说法何承天早已表示怀疑。但由于隋炀帝的穷奢极欲，腐朽昏庸，刘焯的合理建议连同他的《皇极历》都未被接受。

　　唐朝建立了强大的封建帝国，出现贞观、开元之治的兴盛局面，为天文学大发展创造了良好的条件。贞观七年(公元633年)，李淳风制成浑天黄道仪，把中国观测用的浑仪发展到极为复杂的程度，在过去的固定环组(六合仪)和可运转的环组(四游仪)之间，又加了一个三辰仪。三辰仪由相互交错的三个圆环(白道环、黄道环、赤道环)组成，这样在观测时就可以从仪器上直接读出天体的赤道坐标、黄道坐标和白道坐标三种数据。

　　李淳风在《皇极历》基础上制成《麟德历》，于唐高宗麟德二年(公元665年)颁行。《麟德历》采用定朔安捧日用历谱，即不但在计算日月食时要考虑日月运行不均匀性的问题，而且在安排日历时也考虑进去。这个办法何承天早已提出，但由于习惯势力的阻挠，经过二百多年的斗争，至此才取得胜利。《麟德历》还废除了闰周，完全依靠观测和统计来求得回归年和朔望月的精密数据。

　　现在英国伦敦博物馆保存的敦煌卷子中有一卷星图，也可能与李淳风有关，因为在星图的前面还有48条气象杂占，每条都是上图下文，在第十五条下有“臣淳风言”的字样。

　　开元十三年(公元725年)，一行和粱令瓒改进了张衡的水运浑象。他们把浑象放在木柜子里，一半露在外面，一半藏在柜内，在柜面上有两个木人分立在浑象两旁，一个每刻击鼓，一个每辰(两小时)敲钟，按时自动，这可以说是最早的自鸣钟，它的名字叫“开元水运浑天俯视图”。

　　在此以前，他们还造了一架黄道游仪。这是在李淳风浑天黄道仪的基础上，把三辰仪中的赤道环打了孔，使黄道可以沿赤道移动，以改正岁差。一行利用这架仪器，观测了150多颗恒星的位置，发现前代星图、星表和浑象上所载的恒星位置有很大变化。一行对此未作解释。现在知道，这些变化主要是由岁差引起的。

　　与此同时，一行又命大相元太和南宫说等人分别到11个地方测量北极的地平高度和春分、秋分、夏至、冬至日正午时八尺圭表的日影长度。南宫说在河南的滑县开封、扶沟、上蔡四个地方不但测量了日影长度和北极高度，并且在地面上测量了这四个地方的距离。结果发现，从滑县到上蔡的距离是526.9唐里，但夏至时日影已差2.1寸，这一实际测量的结果彻底推翻了“日影千里差一寸”的传统说法。不仅如此，一行又把南宫说和其他人在别的地方观测的结果相比较，进一步发现，影差和南北距离的关系根本不是成比例的。

　　于是他改用北极高度(实际上即地理纬度)的差计算出，地上南北相去351.27唐里(约129.22公里)，北极高度相差一度。这个数值虽然误差很大，却是世界上第一次子午线实测。更重要的是，一行从方法论上批判了前人计算天的大小的错误。他质问“宇宙之广，岂若是乎？”刹住了计算宇宙大小的风气，并使柳宗元受到了影响。柳宗元在和刘禹锡的通信中曾经讨论过一行的工作，柳宗元把宇宙无限论推向新的高峰，他认为宇宙既没有边界，也没有中心：“无青无黄，无赤无黑，无中无旁，乌际乎天则！”(《天对》)。也就是说，天既没有青、黄、赤、黑各种颜色之分，也没有中心和边缘之别，怎么能把它划分成几部分呢？

　　柳宗元不但深刻地揭示了宇宙无限性，而且明确地指出在无限的宇宙中，矛盾变化是无穷的，阴阳二气时而合在一起，时而又分离开来，有时互相吸引，有时互相排斥，就像旋转着的车轮或机械，时刻不停。

　　在大规模的观测基础上，一行于开元十五年完成《大衍历》初稿，去世后，由其继承者于次年定稿。《大衍历》以定气编太阳运动表，即以太阳在一个回归年内所行度数，平分为24等分，太阳每到一个分点为一个节气，两个节气之间的时间是不等的。为了处理这个问题，一行发明了不等间距二次差内插法。在计算行星的不均匀运动时，《大衍历》使用了具有正弦函数性质的表格和含有三次差的近似的内插公式。《大衍历》把全部计算项目归纳成“步中朔”等七篇，成为后代历法的典范。

　　唐代后期和五代(公元907～960年)时期的历法，值得一提的有长庆二年(公元822年)颁行的《宣明历》和建中年间(公元780～783年)流行于民间的《符天历》。

　　徐昂的《宣明历》在日食计算方面提出时差、气差、刻差三项改正，把因月亮周日视差而引起的改正项计算更向前推进一步。曹士苟的《符天历》废除上元积年，以一万为天文数据奇零的分母，这两项改革大大简化了历法的计算步骤，也是这个历法在民间受到欢迎的主要原因。但它被统治阶级视为“小历”，不予采用。后晋天福四年(公元939年)颁行的《调元历》，不采用上元积年，使用了五年，后在辽又用了四十年，直到元朝的《授时历》(1280年)，才完全实现了这两大改革。