사천대(司天臺)는 고려시대에 만들어져 천문 관측을 담당하였으나 그 외 역법(曆法) · 측후(測候), 각루(刻漏) 등의 일도 관장하였다. 군주는 끊임없이 천문 현상을 관찰하여 하늘의 의지를 파악하고 이에 따라 선정을 베풀어야 한다는 천인합일사상(天人合一思想)에 입각한 유교의 도덕 사상(道德思想) 관념에서, 사천대는 그 기본이 되는 정보를 생산하고 관리하기 위한 관서였다.
천문 관측은 국가의 중대사 중 하나가 되어 일찍부터 천문대(天文臺)가 설립되었으며 천문과 역법을 관장하는 제도가 정비되었다. 고려 초기에 천문 관측에 관한 제도를 정비하여 1372년(공민왕 21)까지 크게 10차에 걸쳐 관서의 통폐합과 관련 제도의 개정이 있었다.
천문 관측을 위한 관서가 언제부터 있었는지 확실히는 알 수는 없다. 태조(太祖), 혜종(惠宗) 대에 활동한 최지몽(崔知夢)이 사천공봉(司天供奉)으로 있었고 978년(경종 1) 11월의 전시과(田柴科)를 개정할 때 사천(司天)도 그 대상에 포함되어 있었으며 980년(경종 5)에 사천대박사(司天大博士)의 사례도 찾을 수 있으므로 사천원(司天院) 또는 사천대(司天臺)가 고려 초부터 있었을 것이다.
여기에 태사국(太史局)과 태복국의 이원 구조로 개편된 것은, 중국식 관제가 대폭 수용된 982년(성종 1), 983년(성종 2)을 전후한 시기였을 것이다. 실제로 목종(穆宗) 원년(998)의 개정전시과(改定田柴科)에 태복감(太卜監), 태복소감(太卜少監), 태사령(太史令), 산태복소감(散太卜少監) 등 천문, 역법, 점복(占卜) 등과 관련된 관직명이 보이고 있다. 그러다가 1023년(현종 14)에 태복감이 사천대로 바뀌는데, 이는 태복감이 점차 천문 관측 기구로 성격이 변하면서 일어난 변화로 보인다. 사천대는 이후 1116년(예종 11)에 사천감(司天監)으로 바뀌는데, 이는 송(宋)나라의 사천감 제도에서 영향을 받았을 것으로 추정된다.
이후 사천감은 원나라의 영향으로 1275년(충렬왕 1)에 관후서(觀候署)로 격하되고, 1308년(충렬왕 34)에는 태사국을 합쳐 서운관(書雲觀)이 되었다. 이로써 천문 관측이라는 비슷한 역할을 수행하던 두 기구가 하나로 합쳐지게 되었다. 공민왕(恭愍王) 대에 서운관은 사천감과 태사국으로 분할되기도 하고 다시 서운관으로 통합하는 경우도 반복되다가 1372년에 서운관으로 최종적으로 정리된다.
사천대의 기능은 당나라의 경우에는 태복서(太卜署)가 태상시(太常寺)의 예하에 있으면서 점복(占卜)을 담당하였고, 사천대는 비서성(秘書省)의 아래에서 천문의 관찰과 역수(曆數)의 산정 등을 관장하였다. 반면 고려에서는 성종 대에 사천대에서 태사국으로 정비되어 천문 기상 관계 부문을 담당하고, 태복감은 복서(卜筮)를 주로 담당하였을 것으로 보인다. 그러나 현종 대에 태복감이 사천대로 개편된 것으로 보아 태복감이 점차 천문 관측 기구로 변해 간 것으로 판단된다.