観測者（自分）を中心として天体がそこに貼り付いているかのように見える仮想的な球面のこと。天体の位置を表す観点から天球面と言うことも多い。
月、惑星、太陽、恒星、銀河などの天体までの距離は非常に遠いため、夜空を見上げてもそれらの距離を実感することはできない。それらの天体は自分を中心とする丸天井に貼り付いているかのように見える。この丸天井（球面）が天球である。天球は実在するものではないが、天体の位置や動きを表すのに便利である。地球の自転に伴って、天体の貼り付いた天球が、天の北極と南極（天の極を参照）を結ぶ軸の周りに自転と逆向きに（東から西へ）、1日にほぼ1回転するように見える。より正確には約23時間56分で1回転する。これを天体の日周運動と呼ぶ。球面である天球の半分は地平面の下にあるので、一度に見ることができるのは地平線より上にある半球面だけである。
天球は仮想的なものであるので、さまざまな形で天球のモデルを作ることができる。プラネタリウムの天井は、明かりが消えるとまさに夜空と同じように見える天球のモデルの一つである。学校教材として広く使われる透明半球も天球のモデルである。天球のモデルは状況に合わせて大きさを自由に変えられる。
地上から見る天体の位置は、日周運動により時々刻々と変化する。ある時刻における天体の位置は、地平面からの高度と方位角で表すことができる（地平座標系を参照）。北半球で見える北極星はほぼ真北の方位にあり、その高度は観測者のいる地点の緯度にほぼ等しい。天球面上で観測者の真上の点を天頂といい、天頂を通って南北を結ぶ線を子午線という。これに対して、天球上での天体の位置は天球座標系で表されるが、その座標は角度である。それに対応して、天球上での天体の見かけの大きさおよび二点間の距離（角距離）も角度で表す（角度表示を参照）。
宇宙マイクロ波背景放射など全天にわたる天文観測データを表示する場合には球面を二次元の平面上に表すのが便利である。球面を平面に表す投影法はさまざまなものが考案されている。地球の表面を平面上に示す世界地図も投影法に従ってさまざまな形のものがある。天文学でよく用いられる投影法は球面を長半径と短半径が2:1の楕円形で表すモルワイデ図法、エイトフ図法、ハンメル図法である。モルワイデ図法は等緯度線が赤道に平行な直線であるが、エイトフ図法とハンメル図法ではそうなっていない。