Изучение вращения и движения полюсов Земли в А. основано на материалах точных определений географических широт и времени. Ещё в конце 18 в. Л. Эйлер пришёл к заключению, что, если ось вращения Земли не совпадает с одной из осей её эллипсоида инерции, то она должна двигаться в теле Земли по конусу, вызывая периодические изменения географических координат пунктов на земной поверхности. Позже это явление было подтверждено астрономическими наблюдениями, причём была обнаружена также небольшая годовая волна в движении оси вращения Земли, обусловленная изменением моментов инерции Земли вследствие сезонного перемещения масс (в основном воздушных) на её поверхности. Для детального изучения этого явления, зависящего от внутреннего строения Земли, в конце 19 в. была организована Международная служба широты (позже реорганизованная в Международную службу движения полюсов Земли), в которую вошёл ряд станций, в том числе одна — в России (ныне в Китабе). Исследования изменений широты и движения полюса регулярно ведут также и на обсерваториях в Пулкове, Полтаве (СССР), на Гринвичской обсерватории (Англия), в Париже (Франция), Вашингтоне (США) и др.
Около середины 20 в. было окончательно установлено, что период вращения Земли вокруг оси не остаётся строго постоянным. Выявлены 3 рода неравномерности: 1) медленное, вековое замедление вращения, главным образом из-за приливного трения в морях (за столетие длина суток увеличивается приблизительно на 0,001 сек), 2) неправильные, иногда скачкообразные флюктуации, изменяющие длину суток до 0,005 сек, причина их еще не установлена; 3) периодические сезонные вариации длины суток до 0,001 сек, вызываемые в основном атмосферной циркуляцией. Первые два явления были обнаружены при изучении движения Луны на протяжении длительного периода, в частности при анализе отклонений от теоретических моментов солнечных и лунных затмений, наблюдавшихся в древности. Сезонная неравномерность вращения Земли была установлена при сравнении астрономических определений времени с ходом кварцевых, а затем и атомных часов. Так выяснилось, что всемирное время, в основе которого лежит период вращения Земли, не является равномерным. Поскольку для различных научных задач, в том числе для изучения движения небесных светил и для предвычисления их положений (эфемериды), необходима равномерная система счёта времени, в 1950 были введены понятия эфемеридного времени, задаваемого движением Земли вокруг Солнца и определяемого из наблюдений Луны, и атомного времени, задаваемого молекулярными и атомными стандартами частоты. В связи с этим в А. стали особенно актуальными регулярные наблюдения Луны и точнейшие определения астрономического времени по звёздам. Для определения положений Луны, наряду с классическими меридианными наблюдениями, вошёл в практику фотографический метод. Наиболее точные определения времени по звёздам (с ошибкой, меньшей ±0,01 сек) производят с помощью фотоэлектрических пассажных инструментов, а также фотографическими зенитными трубами и призменными астролябиями. Работы по определению точного времени, ведущиеся в разных странах, объединяются Международным бюро времени (МБВ), функционирующим в Париже. В СССР существует Советская служба времени, возглавляемая Комитетом стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР.
Результаты астрометрических наблюдений являются материалом для определения систем астрономических постоянных. Уточнение постоянной прецессии, определение направления и скорости движения Солнца среди звёзд и параметров вращения Галактики производят статистической обработкой собственных движений звёзд (а также их лучевых скоростей). Постоянную нутации определяют главным образом из анализа многолетних широтных наблюдений. Параллакс Солнца и связанные с ним астрономическую единицу и постоянную аберрации до середины 20 в. также определяли методами А. Однако с 1960 их стали вычислять с гораздо большей точностью из радиолокационных наблюдений планет (см. Радиолокационная астрономия).
А. — древнейший раздел астрономии. Звёздные каталоги составлялись в Китае ещё в 4 в. до н. э. (Ши Шэнь). Астроном Др. Греции Гиппарх открыл явление прецессии и составил каталог 1022 звёзд, который вошёл в астрономический трактат «Альмагест» К. Птолемея. В 15 в. эти звёзды заново наблюдал Улугбек в обсерватории около Самарканда. Наибольшей точности наблюдений невооружённым глазом достигли в 16 в. Тихо Браге в обсерватории Ураниборг (Дания) и в 17 в. Я. Гевелий в Гданьске (Польша). Наблюдения Тихо Браге послужили материалом, на основе которого немецкий астроном И. Кеплер вывел законы движения планет. Началом современной А. считают работы Гринвичской астрономической обсерватории, где в 1-й половине 18 в. Дж. Брадлей (Англия) открыл аберрацию света и нутацию земной оси и провёл наблюдения 3268 звёзд пассажным инструментом и стенным квадрантом. Каталог, составленный позже из наблюдений Брадлея, сыграл большую роль при определении постоянной прецессии и изучении собственных движений звёзд. Важное значение для развития А. имели работы немецкого астронома Ф. Бесселя, предложившего рациональные методы для обработки наблюдений и исследования инструментов. Новый период в А. начался работами Пулковской обсерватории (ныне Главная астрономическая обсерватория АН СССР), открытой в 1839. Благодаря заботам её основателя В. Я. Струве обсерватория с самого начала была оснащена первоклассными инструментами и в дальнейшем получила широкую известность вследствие высокой точности каталогов звёзд. Большой вклад в А. в 19 и 20 вв. внесли также обсерватории Германии, Франции, США (Вашингтон), Юж. Африки (Кейптаун) и др. С 70-х гг. 19 в. в Германии и США ведутся работы по составлению фундаментальных каталогов. Фундаментальные каталоги Германского астрономического общества (Astronomische Gesellschaft, или AG) считаются наиболее точными. По рекомендации Международного астрономического союза с 1940 для всех астрономических ежегодников был принят третий фундаментальный каталог AG (FK3), а с 1962 — четвёртый (FK4). Большое применение, особенно в звёздной астрономии, имеет каталог американской школы Босса, содержащий 33 342 звезды (GC).
Крупным международным предприятием явилось организованное около 1870 обществом AG составление меридианных зонных каталогов, включающих положения всех звёзд до 9-й звёздной величины. Издано около 40 каталогов, содержащих св. 400 тыс. звёзд. Около 1930 и вновь около 1960 звёзды северного неба из этих каталогов наблюдали в Германии фотографическим методом с помощью широкоугольных астрографов; выведены собственные движения 270000 звёзд. Массовые фотографические каталоги звёзд составлены также в Пулкове (зоны от +70° до Северного полюса), в Йельской обсерватории США (зоны от +30° до —30° и др.), в Кейптауне (от —30° до Южного полюса). Крупнейшим является организованное в 1887 французскими астрономами международное предприятие «Карта неба» (Carte du Ciel) по фотографированию всего неба на т. н. нормальных астрографах с целью составления каталога координат около 3,5 млн. звёзд до 11-й звёздной величины и карты звёзд до 14-й звёздной величины. Издано большое число каталогов и карт для северного и южного неба. В 1906 голландский астроном Я. Каптейн предложил план «избранных площадей», предусматривающий детальное изучение различных характеристик многих тысяч звёзд в 206 небольших площадках, равномерно распределённых по всему небу. По этому плану советский астроном А. Н. Дейч в 1941 закончил исследование движения 18 тыс. звёзд в площадках Северного полушария неба, начатое одним из основоположников фотографической астрометрии С. К. Костинским. Аналогичные работы были выполнены в США и Великобритании.