從公元前129年古埃及天文學家喜帕恰斯目測星體光度起，中間經過1609年伽利略使用光學望遠鏡觀測天體，勾畫月面圖，1655～1656年惠更斯發覺木星光環和獵戶座星云，后來還有哈雷發覺星體自行，到十八世紀老赫歇耳開創星體天文學，這是天體化學學的蘊育時期。
十九世紀中葉，三種化學方式——分光學、光度學和照像術廣泛應用于天體的觀測研究之后，對天體的結構、化學組成、物理狀態的研究產生了完整的科學體系，天體化學學開始成為天文學的一個獨立的分支學科。
天體化學學的發展，使得天文觀測和研究不斷出現新成果和新發覺。1859年，基爾霍夫對太陽波譜的吸收線(即夫瑯和費譜線)做出科學解釋。他覺得吸收線是光球所發出的連續波譜被太陽大氣吸收而成的天文學和天體物理學的關系，這一發覺促進了天文學家用分光鏡研究星體；1864年，哈根斯用高色散度的攝譜儀觀測星體，證認出個別元素的譜線，之后按照多普勒效應又測定了一些星體的視向速率；1885年天文學和天體物理學的關系，皮克林首先使用物端棱鏡拍攝波譜，進行波譜分類。通過對行星狀星云和彌漫星云的研究，在仙女座星云中發覺新星。這種發覺使天體化學學不斷向廣度和深度發展。
1859年﹐基爾霍夫依據熱力學規律解釋太陽波譜的夫瑯和費線﹐斷定在太陽上存在著個別和月球上一樣的物理元素﹐這表明﹐可以借助理論化學的普遍規律從天文實測結果短發析出天體的內在性質﹐是為理論天體化學學的開端。
理論天體化學學的發展緊密地依賴于理論化學學的進步﹐幾乎理論化學學每一項重要突破﹐就會大大促進理論天體化學學的前進。二十世紀二十年代初量子理論的完善﹐使深入剖析星體的波譜成為可能﹐并由此構建了星體大氣的系統理論。三十年代原子核化學學的發展﹐使星體能源的疑惑獲得滿意的解決﹐進而使星體內部結構理論迅速發展﹔而且根據赫羅圖的實測結果﹐確立了星體演變的科學理論。1917年愛因斯坦用廣義相對論剖析宇宙的結構﹐創辦了相對論宇宙學。
1920年，薩哈提出星體大氣電離理論，通過埃姆登、史瓦西、愛丁頓等人的研究，關于星體內部結構的理論漸趨成熟；1905年，赫茨普龍在觀測基礎中將部份星體分為球星和矮星；1913年，羅素按絕對星等與波譜型勾畫星體分布圖，即赫羅圖；1916年，亞當斯和科爾許特發覺相同波譜型的球星波譜和矮星波譜存在細微差異，并確立用波譜求距離的分光視差法。1938年，貝特提出了氫聚變為氨的熱核反應理論，成功地解決了主序星的產能機制問題。
1929年，哈勃在研究河外星系波譜時，提出了哈勃定理，這極大地促進了星體天文學的發展；1931～1932年，央斯基發覺了來自銀河系中心方向的宇宙無線電波；四十年代，美國軍用雷達發覺了太陽的無線電幅射，自此射電天文蓬勃發展上去；六十年代用射電天文手段又發覺了類恒星、脈沖星、星際分子、微波背景幅射。
1946年日本開始用尼克斯在離地面30～100公里高度處拍攝紫外波譜。1957年，蘇俄發射人造月球衛星，為大氣內層空間觀測創造了條件。之后，日本、西歐、日本也陸續發射用于觀測天體的人造衛星。世界各國已發射數目可觀的宇宙飛行器，其中裝有各種類型的偵測器，用以偵測天體的紫外線、x射線、γ射線等波段的幅射。自此天文學步入全波段觀測時代。