Une horloge astronomique est une horloge qui affiche l'heure ainsi que des informations relatives à l'astronomie.
De façon générale, le terme fait référence à toute horloge qui affiche, en plus de l'heure, des informations astronomiques. Parmi celles-ci : les positions relatives du Soleil, de la Lune, des constellations du Zodiaque, les planètes les plus brillantes, ainsi que toutes sortes d'informations cycliques comme la durée du jour et de la nuit, l'âge et la phase de la lune, la date des éclipses (par l'indication des nœuds lunaires), de Pâques et d'autres fêtes religieuses, la date et l'heure des marées, l'heure solaire, le temps sidéral, la date des solstices, une carte du ciel, etc. Les horloges astronomiques sont parfois agrémentées de toutes sortes de symboles religieux, culturels, artistiques ou scientifiques, voire d'automates.
Les horloges astronomiques les plus anciennes représentent le système solaire selon un modèle géocentrique. Le centre du cadran comporte alors un disque ou une sphère représentant la Terre. Le soleil est souvent représenté par une sphère dorée tournant autour de la terre une fois par jour sur un cadran 24 heures. Cette représentation s'accorde à la fois à l'expérience de tous les jours et à la vision philosophique du monde en Europe pré-copernicienne.
Le modèle héliocentrique a été admis en Occident à partir de la fin du XVIIe siècle, quand les travaux de Newton sont venus confirmer les observations de Copernic et de Galilée.
Les horloges astronomiques ne doivent pas être confondues avec les régulateurs astronomiques, d'anciennes pendules utilisées dans des observatoires, de grande précision mais parfaitement classiques.