L’astronomie babylonienne désigne les théories et les méthodes astronomiques développées dans l’ancienne Mésopotamie, le « pays entre les deux rivières » Tigre et Euphrate (dans l’Irak actuel), et où s'épanouirent les royaumes de Sumer, d’Akkad, de Babylonie et de Chaldée. L’astronomie babylonienne est à la source des traditions ultérieures de l'astronomie grecque et hellénistique, de l’astronomie indienne classique, de celles des Sassanides, des Byzantins et des Syriens, de l’astronomie médiévale des Musulmans et des Européens
Les sources classiques grecques et latines désignent fréquemment les astronomes de Mésopotamie du nom de Chaldéens : il s’agissait en réalité de prêtres-scribes specialisés dans l’astrologie et d’autres formes de divination.
Entre le VIIIe siècle av. J.-C. et le VIIe siècle av. J.-C., les Chaldéens développent une approche empirique de l’astronomie tout en élaborant une cosmologie, nature idéale de l’univers. Une discipline divinatoire, l’astrologie, liée aux positions des planètes, s'appuie sur une logique interne, contribution décisive à l’astronomie et à la philosophie des sciences : certains chercheurs y voient une première révolution scientifique
Cette démarche nouvelle en astronomie sera adoptée et intégrée par l'astronomie classique et hellénistique.