La sphère céleste est une sphère imaginaire de rayons quelconques et dont le centre est occupé par la Terre. Ce concept astronomique, hérité de l'antiquité, permet de représenter tous les astres tel qu'on les voit depuis la Terre. Ainsi, il est possible de positionner les astres dans le ciel en leur attribuant des coordonnées uniques.
La notion de sphère céleste a été inventée par les philosophes grecs de l'Antiquité. L'idée plaisait aux philosophes grecs pour qui la sphère était une figure géométrique parfaite. Toute la cosmologie grecque fut donc basée sur un modèle de sphères concentriques autour de la Terre, dont la sphère des fixes qui correspond peu ou prou à la sphère céleste actuelle.
Durant l'Antiquité et le Moyen Âge, les étoiles étaient donc considérées comme équidistantes de la Terre et cette sphère comme une représentation exacte de l'univers. Même si on sait maintenant que ce modèle est faux, elle reste une abstraction très utile. En effet, tout ce que nous voyons dans le ciel est très éloigné de nous et la distance est impossible à mesurer juste en regardant. Puisque ces distances sont indéterminées, il est seulement nécessaire de savoir la direction de l'objet pour le localiser dans le ciel. Dans ce sens, le modèle de la sphère céleste est un outil très pratique pour l'astronomie de position.
Pendant que la Terre tourne sur son axe, les objets sur la sphère céleste semblent tourner autour des pôles célestes en 24 heures : c'est le mouvement diurne apparent. Par exemple, le Soleil semble toujours se lever à l'est et se coucher à l'ouest, tout comme les étoiles, les planètes et la Lune. Toutefois, à cause de la différence existant entre le temps solaire et le temps sidéral, chaque nuit une étoile donnée se lèvera 4 minutes plus tôt qu'elle s'est levée la nuit précédente.
Dans le système de représentation de la sphère céleste, la Terre est considérée comme immobile et c'est la sphère céleste qui tourne autour de notre planète. L'axe de rotation passe par les pôles géographiques, et sa projection sur la sphère céleste est définie comme correspondant aux pôles célestes. α Ursae Minoris, plus connue sous le nom d'étoile polaire, est tellement proche du pôle nord céleste qu'elle semble immobile dans le ciel. De la même manière, l'équateur céleste correspond à la projection de l'équateur terrestre sur cette sphère. Cet équateur partage la sphère céleste en deux parties : l'hémisphère céleste nord et hémisphère céleste sud. D'une manière générale, on peut projeter n'importe quel point de la Terre sur la sphère céleste. La verticale d'un point de la Terre, sauf pour les pôles, trace un parallèle sur cette sphère au fur et à mesure de sa rotation.
Tous les astres peuvent être également représentés sur la sphère céleste, y compris le Soleil, et on appelle zodiaque la projection de la trajectoire du Soleil sur la sphère céleste. L'inclinaison de la Terre par rapport à l'écliptique fait que le zodiaque ne se confond pas avec l'équateur céleste. Ces deux tracés se croisent au moment des équinoxes, qui marquent les débuts du printemps et de l'automne. Ces croisements correspondent au moment où la durée des jours est égale à la durée des nuits sur l'équateur. Le croisement de printemps est appelé point vernal ; le méridien du point vernal est aussi appelé origine des ascensions droites.
Tous les astres peuvent être projetés sur la sphère céleste. Ils y sont alors identifiés par un couple de coordonnées composé de la déclinaison et de l'ascension droite. Ces coordonnées sont les équivalents de la latitude et de la longitude sur Terre.