Quả cầu thiên thể là một quả cầu tưởng tượng bao quanh Trái Đất. Các nhà thiên văn học chiếu các ngôi sao, hành tinh và thiên hà lên bề mặt bên trong của nó để mô tả vị trí của chúng. Đó là một giả định tiện lợi. Các ngôi sao thực tế không cố định trên một quả cầu. Chúng nằm ở những khoảng cách rất khác nhau. Nhưng để lập bản đồ bầu trời, mô hình này vẫn hữu ích.

Quả cầu có tọa độ. Độ lệch thiên văn là tương đương với vĩ độ, được đo bằng độ về phía bắc hoặc phía nam của xích đạo thiên thể. Độ thăng thiên là tương đương với kinh độ, được đo bằng giờ, phút và giây về phía đông so với điểm xuân phân. Cả hai cùng nhau tạo nên một địa chỉ duy nhất cho mỗi vật thể trên bầu trời.

Hình cầu cũng có các điểm tham chiếu. Các cực thiên thể nằm ngay phía trên các cực của Trái Đất. Xích đạo thiên thể là hình chiếu của xích đạo Trái Đất. Hoàng đạo là đường đi mà Mặt Trời dường như vạch ra trong một năm, đồng thời cũng là mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất. Các chòm sao hoàng đạo nằm dọc theo hoàng đạo.

Quả cầu thiên thể là một bản đồ, không phải là một vật thể vật lý. Nó là một công cụ đã phục vụ các nhà thiên văn học trong hàng thiên niên kỷ và vẫn giúp chúng ta mô tả bầu trời như thế nào.