及至李唐立国，承隋制而大进，将天文研究推向极致繁荣，建立起中国古代最为系统完备的天文职官与研究体系。唐代初期便改太史监为太史局，后又升级为司天台，层级分明、分工细致，下设灵台郎、保章正、挈壶正等诸多职官，分别执掌观测星象、推演历法、测报时辰等要务，更吸纳数学、历法、仪器制造等各类人才，形成多学科协同研治的格局，甚至允许学子通过研习天文入仕，极大激发了天文研究的活力。官方对天文仪器的创制尤为重视，先后打造多台精密仪器，李淳风改良浑仪，增设黄道环、赤道环与白道环，可精准观测日月五星在不同天球轨道的运行轨迹，解决了此前仪器难以兼顾多轨道观测的难题，其编撰的《法象志》详细记载仪器原理与观测方法，成为古代天文仪器着作的典范；一行和尚主持创制水运浑天仪，以水力驱动，集观测、计时、报时功能于一体，仪器运转可自动契合天体运行节律，兼具实用性与科学性，堪称当时世界上最先进的天文仪器。
在历法修订与实测研究上，唐代成就更是冠绝古今。李淳风编撰《麟德历》，沿用定朔法并加以优化，简化演算流程，精准适配农时与民生，被颁行天下沿用六十余年，其精准度广受认可；开元年间，一行和尚奉玄宗之命主持全国性大规模天文实测，这是中国古代史上范围最广、精度最高的一次天文实测，在全国十三处设立观测点，同步测量日影长度、北极高度与昼夜时长，不仅精准测算出子午线的长度，首次以实证数据印证了地球呈球形的猜想，更校准了历代历法中的诸多偏差，为新历编撰提供了坚实的数据支撑。在此基础上，一行编撰《大衍历》，体例严谨、数据精准，将太阳视运动、月亮运行、五星轨迹的测算推向新高度，其历法结构与演算逻辑极为科学，成为后世历法编订的范本，影响宋、元诸历数百年。唐代对特殊天象的观测与记录亦达到新水准，《新唐书·天文志》《旧唐书·天文志》中，对彗星、新星、太阳黑子、日月食等天象的记载，在时辰、方位、形态变化上详尽无遗，其中关于哈雷彗星的观测记录，相较于前代更为精准完整，为世界天文学研究留存了不可多得的史料。
开放包容的时代风气，让唐代天文研究打破地域壁垒，迎来空前的中外文明互鉴。丝绸之路空前繁盛，西域诸国的天文历法、观测仪器与研究成果源源不断传入中原，印度的天文典籍《九执历》被译介传入，其独特的测算方法为唐代学者提供了新的研究视角，部分测算技巧被吸纳融入《大衍历》之中；波斯的天文观测经验与计时仪器亦传入长安，丰富了唐代天文仪器的门类。同时，唐代的天文成就亦通过丝绸之路向外传播，《麟德历》《大衍历》远传至朝鲜半岛、日本等东亚诸国，成为当地历法修订的重要依据，中原的浑仪、圭表等仪器制作技艺亦向外输出，推动了周边国家天文事业的发展。官方还吸纳西域、印度的天文人才入朝任职，与中原学者同台研治，多元文化的碰撞交融，让唐代天文研究跳出传统框架，实现了更为多元的突破。
天文认知的深化，同样深度浸润唐代社会的方方面面，融入时代的血脉之中。礼制层面，唐代帝王将祭天、祭日等天文礼仪推向极致，长安城修建的圜丘、天坛等祭祀场所，严格依循天体方位与历法时序而建，每逢重大祭祀大典，帝王亲自主持，以呼应天地秩序，彰显君权天授的正统性，司天台官员需提前观测星象，择定吉时良辰，让天文礼仪成为王朝典制的核心组成部分。民生层面，精准的历法让农耕生产更为有序，二十四节气与农时的对应愈发精准，百姓依历而行，春耕夏耘、秋收冬藏皆有章可循，极大提升了农业生产效率；天文养生思想在唐代更为成熟，孙思邈在《千金方》中明确提出“顺四时五行，适寒温燥湿”的养生理念，将日月流转、节气变化与人体调养紧密结合，主张依天象调整作息、饮食与情志，让天文养生融入民间日用。
在文学领域，天文意象更是成为唐代文人创作的灵感源泉，催生出无数千古绝唱。唐诗之中，日月星辰、银河浩渺等天象随处可见，或勾勒壮阔意境，或寄寓人生情怀，或喻指世事变迁。李白笔下“飞流直下三千尺，疑是银河落九天”，以银河喻瀑布，尽显雄奇浪漫；杜甫“五更鼓角声悲壮，三峡星河影动摇”，以星河摇曳衬战乱悲戚，意境苍凉雄浑；王维“明月松间照，清泉石上流”，以月景衬山林清幽，尽显闲适淡然；李商隐“沧海月明珠有泪，蓝田日暖玉生烟”，以日月意象寄寓怅惘情思，意