天文院是北宋时期设立的中央官署机构，初属秘书省司天监管辖，元丰改制后隶属太史局。该机构以昼夜观测星象、修订历法为核心职能，配备浑仪台等精密仪器，与测验局、漏刻局、钟鼓院共同构成国家天文历法体系。北宋时期与翰林天文院形成并存格局，通过独立观测实现数据互验，体现宋代天文管理的科学性。

北宋初年沿袭前代制度，在司天监下设天文院、钟鼓院等分支机构。元丰五年（1082年）推行官制改革，废除司天监建制，其职能转隶太史局，但天文院的观测职能得以延续。南宋时期基本沿袭太史局建制，天文院作为专业观测机构保持运转直至宋末。

天文院设提举官总领事务，下设灵台郎主管观测实务，配备天文生、刻漏生等技术人员。主要工作场所包括：

元祐年间（1086-1094年）改进观测流程，建立'双机构校验'制度，要求天文院与翰林天文院分别提交观测记录进行比对。崇宁年间（1102-1106年）引入民间天文学家苏颂设计的水运仪象台。

沈括在《梦溪笔谈》中记载了天文院观测北极星的方法改进，提出'窥管随天运转'的技术革新。苏颂主持研制的水运仪象台将机械装置与天文观测结合，其传动机构设计被应用于天文院的仪器制造中。