Toán học được sử dụng trong thiên văn học để tính toán các tuyến đường cho vệ tinh, tên lửa và tàu thăm dò không gian. Ngoài ra, toán học còn được sử dụng trong hệ thống định vị toàn cầu, để truyền thông điệp khi dữ liệu được nén và để mã hóa hình ảnh và mô hình phần tử để xây dựng tàu vũ trụ.
Toán học và thiên văn học có liên quan mật thiết với nhau kể từ khi chúng ra đời. Một trong những người sáng lập toán học, Pythagoras of Samos, đã đưa ra lý thuyết về các quả cầu mà mỗi hành tinh được gắn vào. Claudius Ptolemy, vào thế kỷ thứ hai sau Công nguyên, đã phát triển một mô hình toán học địa tâm của Hệ Mặt trời được sử dụng cho đến thời Columbus. Copernicus là một nhà toán học và thiên văn học, người đã phát triển mô hình nhật tâm của Hệ Mặt trời.
Vào thế kỷ 17, Johannes Kepler nghiên cứu toán học quỹ đạo của hành tinh, trong khi Isaac Newton khám phá ra định luật hấp dẫn và mô tả chuyển động của các hành tinh trong mối quan hệ với nhau. Phương trình Newton vẫn được sử dụng để tính toán lực hấp dẫn.
Như một ví dụ hiện đại, các phi hành gia sử dụng toán học để hướng một tàu con thoi di chuyển với tốc độ 17.500 dặm một giờ đến một trạm vũ trụ để đến một điểm hẹn. Các phép tính toán học phức tạp phải được thực hiện để hai vật chuyển động với tốc độ cao có thể gặp nhau tại một điểm mà không gây ra thiệt hại cho nhau. Các công cụ toán học hiện đại như phân tích sai số và nguyên tắc tối đa giúp tối ưu hóa quỹ đạo của tàu vũ trụ.
