从公元前129年古埃及天文学家喜帕恰斯目测星体光度起，中间经过1609年伽利略使用光学望远镜观测天体，勾画月面图，1655～1656年惠更斯发觉木星光环和猎户座星云，后来还有哈雷发觉星体自行，到十八世纪老赫歇耳开创星体天文学，这是天体化学学的蕴育时期。
十九世纪中叶，三种化学方式——分光学、光度学和照像术广泛应用于天体的观测研究之后，对天体的结构、化学组成、物理状态的研究产生了完整的科学体系，天体化学学开始成为天文学的一个独立的分支学科。
天体化学学的发展，使得天文观测和研究不断出现新成果和新发觉。1859年，基尔霍夫对太阳波谱的吸收线(即夫琅和费谱线)做出科学解释。他觉得吸收线是光球所发出的连续波谱被太阳大气吸收而成的天文学和天体物理学的关系，这一发觉促进了天文学家用分光镜研究星体；1864年，哈根斯用高色散度的摄谱仪观测星体，证认出个别元素的谱线，之后按照多普勒效应又测定了一些星体的视向速率；1885年天文学和天体物理学的关系，皮克林首先使用物端棱镜拍摄波谱，进行波谱分类。通过对行星状星云和弥漫星云的研究，在仙女座星云中发觉新星。这种发觉使天体化学学不断向广度和深度发展。
1859年﹐基尔霍夫依据热力学规律解释太阳波谱的夫琅和费线﹐断定在太阳上存在著个别和月球上一样的物理元素﹐这表明﹐可以借助理论化学的普遍规律从天文实测结果短发析出天体的内在性质﹐是为理论天体化学学的开端。
理论天体化学学的发展紧密地依赖于理论化学学的进步﹐几乎理论化学学每一项重要突破﹐就会大大促进理论天体化学学的前进。二十世纪二十年代初量子理论的完善﹐使深入剖析星体的波谱成为可能﹐并由此构建了星体大气的系统理论。三十年代原子核化学学的发展﹐使星体能源的疑惑获得满意的解决﹐进而使星体内部结构理论迅速发展﹔而且根据赫罗图的实测结果﹐确立了星体演变的科学理论。1917年爱因斯坦用广义相对论剖析宇宙的结构﹐创办了相对论宇宙学。
1920年，萨哈提出星体大气电离理论，通过埃姆登、史瓦西、爱丁顿等人的研究，关于星体内部结构的理论渐趋成熟；1905年，赫茨普龙在观测基础中将部份星体分为球星和矮星；1913年，罗素按绝对星等与波谱型勾画星体分布图，即赫罗图；1916年，亚当斯和科尔许特发觉相同波谱型的球星波谱和矮星波谱存在细微差异，并确立用波谱求距离的分光视差法。1938年，贝特提出了氢聚变为氨的热核反应理论，成功地解决了主序星的产能机制问题。
1929年，哈勃在研究河外星系波谱时，提出了哈勃定理，这极大地促进了星体天文学的发展；1931～1932年，央斯基发觉了来自银河系中心方向的宇宙无线电波；四十年代，美国军用雷达发觉了太阳的无线电幅射，自此射电天文蓬勃发展上去；六十年代用射电天文手段又发觉了类恒星、脉冲星、星际分子、微波背景幅射。
1946年日本开始用尼克斯在离地面30～100公里高度处拍摄紫外波谱。1957年，苏俄发射人造月球卫星，为大气内层空间观测创造了条件。之后，日本、西欧、日本也陆续发射用于观测天体的人造卫星。世界各国已发射数目可观的宇宙飞行器，其中装有各种类型的侦测器，用以侦测天体的紫外线、x射线、γ射线等波段的幅射。自此天文学步入全波段观测时代。