我们的祖先很早就关心宇宙的结构问题，并一直进行着探索，提出了各种各样的构想，以试图对所看到的天文现象给予解说。“杞人忧天”的故事反映的就是人们对这个问题的关心和一种解答。“杞人忧天”的故事记载在《列子》中，说的是杞国(今河南、山东接壤一带)有一个人，听说天是无限高远的空间，日月星辰都在天空中飘浮着，他担心日月星辰会掉下来，打坏庄稼砸死人，甚至怕大地也会陷下去。为此，他整天忧心忡忡，愁得吃不下饭，睡不着觉，不知如何是好。有一个好心人担心他愁坏了身体，便拉着他去问懂得天地道理的人，给他解释说，天是气体结合而成的，到处都充满了气体。日月星辰也是气体构成的，只是它们会发光而已，即使掉下来，还是气落到气中，不会有什么损伤的。而地是固体的，到处都塞满了，是不会坏的。于是，杞人转忧为喜。
这里说的，其实是一种关于天为什么不坠，地为什么不陷的看法。关于这个问题，先秦时还有很多看法，例如有四只鳖足撑着天、海龟驮着地的神话传说，诸子百家中提出的水浮说、气举说、运动说等。及至汉代，则形成了“言天三家：一曰盖天，二曰宣夜，三曰浑天”(《晋书·天文志》)。
盖天说在西周时就已经提出，认为“天圆如张盖，地平如棋局”(《晋书·天文志》)。也就是说天是圆的，地是方的，现在人们在北京天坛圜丘所看到的布局，就是这种天圆地方思想的反映。战国时期盖天说又修改为“天似盖笠，地法覆盘”(《晋书·天文志》)，即天像盖在上面的斗笠，地像倒扣着的盘子。到了汉代，盖天说又有进一步的发展。成书于公元前1世纪的《周髀〔bi壁〕算经》就是这一学说的代表作。它用繁杂的数字计算和勾股定理，来论证天是半圆形的，地是拱形的，日月星辰附着天而平转，不能转到地的下面，并使这一学说系统化和数学化。
宣夜说的起源已无从得知。这一学说认为，“天了无质，仰而瞻之，高远无极”，“日月众星，自然浮生虚空之中，其行其止皆须气焉”(《晋书·天文志》)。也就是说，并不存在一个有形质的天壳，天是无形无体、无边无际的。 日月星辰在广阔无垠的空间中的分布和运动是随其自然的，它们并不附着在有形质的东西上面，而是依各自的特性，在气的作用下，悬浮于空中，运行于空中。这一学说包含有宇宙无限的思想，而且其所描绘的日月星辰的运动图景比较接近于我们今天所认识的宇宙，但因它长期停留在思辨的认识上，没能对天体的运动进行具体的分析和说明，所以对后世的影响远不如浑天说。
浑天说起源于战国时期，到了汉代有很大的发展，渐为人们所接受。东汉科学家张衡是浑天说的集大成者，他的著作《浑天仪注》便是浑天说的代表作。书中指出：“浑天如鸡子。天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于内，天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，载水而浮。”也就是把天看成一个浑圆的壳，而地是居于天壳中间的一个圆球。浑天说还认为日月星辰缀在天壳之上，随天壳绕着穿过南北天极的轴转动，是一种以地球为中心的宇宙结构理论。这三种宇宙结构理论后来都有人继承和发展，但以浑天说的影响最大，居于古代宇宙理论的主导地位。