不仅如此，《天官书》还对许多天体现象作了精细的观测记录。如《天官书》记录了恒星的颜色、亮度和亮度变化，书中说：“太白白比狼；赤比心；黄比参左肩；苍比参右肩；黑比奎大星。”司马迁将天狼星作为白亮的标准；心宿二是红而亮的标准，特别是参宿四作为黄色标准引起了现代恒星演化学家的关注，因为该星现在是一个红巨星，它是在司马迁之后才抛出气体外壳，逐渐演化成今天这个样子的。又书中将星分成大星、明星、一般星、若见若不见等类型，反映了当时人们对于星的亮度等级的认识。《天官书》在描述长沙星时，说其“星星不欲明，明与四星等”，就是在该星变亮时，其亮度与周围轸宿四星差不多，这是对恒星亮度变化的正确认识。此外，《天官书》还有许多关于行星的科学认识，如“察日月之行以撰岁星顺逆”，即用日月运行方向来考察木星是顺行还是逆行，与日月运行同方向，谓之顺行，否则为逆行；又如“其趋舍而前曰嬴，退舍曰缩”，指出行星观测位置会超前或落后于预推位置，这实际上是当时使用的恒星周期不准确造成的，也与行星视运动有逆行有关，等等。书中还记录了太阳系其他天体的现象，如彗星、流星、陨石、黄道光、火流星等，也记录了极光、云气、交食、交食周期、突发变星等地球物理现象和天象，内容十分丰富，堪称为当时的一部天文学辞典。
秦汉时期，对于天象记录的趋于完备、精细还反映在其他一些典籍中。如班固所著的《汉书·五行志》中就对太阳黑子有准确的观测记录，书中记载：“成帝河平元年……三月己未，日出黄，有黑气大如钱，居日中央。”汉成帝河平元年为公元前28年，这是世界上公认的最早的对太阳黑子的记录。《汉书·天文志》记载：“元光元年六月，客星见于房。”汉武帝元光元年是公元前134年，这是中外历史上都有记载的一颗新星，但西方的记录没有年月方位。《后汉书·天文志》记载：“中平二年十月癸亥，客星出南门中，大如半筵，五色喜怒稍小，至十六年六月消。”汉灵帝中平二年为公元185年，这是世界上最早的超新星记录。又如《汉书·五行志》对于彗星的记载：“元延元年七月辛未，有星孛于东井，践五诸侯，出河戍北，率行轩辕、太微、后日六度有余，晨出东方。十三日夕见西方……锋炎再贯紫宫中。……南逝度犯大角、摄提，至天市而按节徐行，炎入市中，旬而后西去，五十六日与苍龙俱伏。”“孛星”就是彗星。汉宣帝元延元年为公元前12年。这里对彗星的运动路线、视行快慢以及相应的时间都作了详尽的记载，是一份难得的研究彗星运动规律的材料。
日晷（汉）1897年内蒙古托克托出土
秦汉时期天文学的进步，天体观测记录的趋于完备、精细，是与天体观测手段的改进、天文仪器的制作分不开的。中国古代的天体测量仪器，主要有浑仪、圭表、漏壶、浑象和星图等。其中浑仪、圭表、漏壶，汉以前就有，至汉代有了改进；浑象为汉代的发明；战国时有星表，到汉代发展成为星图，使其成为天文观测必不可少的工具。
中国古代的浑仪与古希腊的不同，古希腊的浑仪以黄道坐标为主，而中国的浑仪是以天赤道坐标为主。在汉代，浑仪有几次改进。
铜漏壶（西汉）1976年内蒙古杭锦旗出土
