La navigazione astronomica consisteva nel calcolare la posizione della nave attraverso l'osservazione degli astri. Il quadrante e l'astrolabio erano gli strumenti più importanti: i soli citati, ad esempio, da Amerigo Vespucci (1454-1512) nei resoconti dei suoi viaggi. Con tali strumenti era relativamente facile misurare la latitudine osservando la posizione del Sole, della Luna e dei pianeti. Mentre era decisamente più difficile misurare la longitudine, che dipendeva dalla misura del tempo. Gli orologi meccanici o altri strumenti segnatempo come le clessidre e gli arenari erano estremamente imprecisi. Essi avrebbero dovuto mantenere l'ora del porto di partenza, che andava confrontata con quella calcolata a bordo della nave. La differenza oraria moltiplicata per la misura del grado a una data latitudine forniva la distanza percorsa. Non potendo contare sulla precisione degli orologi meccanici, il metodo più attendibile era quello delle distanze lunari. Data la velocità con cui la Luna si muove nel cielo notturno, la sua rivoluzione intorno alla Terra può essere efficacemente utilizzata come un indicatore di tempo. Dal momento che è possibile prevedere la posizione dell'astro rispetto alle stelle e ai pianeti in un dato luogo di cui si conoscono le coordinate geografiche, la sua distanza dalle stelle di riferimento misurata a bordo della nave indicava la longitudine del luogo di osservazione. Amerigo Vespucci fu il primo ad adottare questo metodo: grazie alle tavole astronomiche di Regiomontano (1436-1476), che prevedevano la congiunzione della Luna con Marte il 23 agosto del 1500, misurò la sua distanza da Norimberga mentre navigava lungo le coste del Venezuela.