天文学面对的是从行星到宇宙边缘的极端尺度跨度。从月球到仙女座星系，距离可达数十个数量级。
天文学中没有一种方法能覆盖全部距离范围，科学家为此构建了"宇宙距离阶梯"，由近及远逐级递进。
三角视差法是测量近距恒星距离的基础手段。地球绕太阳公转时，半年内位置变化约2个天文单位，这构成了天然的基线。通过观测恒星相对于背景恒星的微小位移——即周年视差角，便可利用几何关系算出距离。当视差角恰好为1角秒时，对应的距离即为1秒差距（约3.26光年）。这一方法至今仍是校准其他测距手段的根本依据。
雷达与激光测距法则用于太阳系内部。激光测距精度更高，目前对月球的测距误差已缩小至厘米量级。
标准烛光法适用于更远的星系。
哈勃定律法面向宇宙学尺度。星系光谱的红移量与其退行速度成正比，而退行速度又与距离成线性关系。通过测量红移量，便可反推出极远星系乃至可观测宇宙边缘的距离。
天文单位（AU） 定义为地球与太阳的平均距离，2012年国际天文学联合会将其固定为.7千米。它是太阳系内测量的基本标尺，木星距太阳约5.2 AU，冥王星约39.5 AU。
光年（ly） 是光在真空中一年行进的距离，约等于9.46×10¹²千米。半人马座α星距太阳约4.24光年，天狼星约8.6光年。
秒差距（pc） 是专业计算中更受青睐的单位。1秒差距等于3.26156光年，约合2.06×10⁵天文单位。其优势在于计算直接：距离（pc）= 1 ÷ 视差角（角秒）。例如视差角为0.1角秒的恒星，距离即为10秒差距。
更大尺度上，天文学家使用千秒差距（kpc）、百万秒差距（Mpc）和十亿秒差距（Gpc）来描述星系和宇宙结构。银河系直径约30 kpc，仙女座星系距离约0.78 Mpc，可观测宇宙半径约14 Gpc。
天文学中常需将天体的角直径转换为实际线直径。核心公式为：
线直径 = 距离 × 角直径（弧度）
其中角直径需先从角秒转换为弧度（1角秒 ≈ 4.848×10⁻⁶弧度）。例如，参宿四的角直径约0.05角秒，距离约200 pc，换算后其线直径约为2.57 AU，远超太阳本身。
望远镜成像中，底片比例尺 α = 206265 / F（F为焦距，单位毫米），单位为角秒/毫米。结合相机像元尺寸，即可将像素尺度转换为天空角度，进而结合距离得到物理尺寸。
距离阶梯每升高一级，误差便会累积传递。目前哈勃常数的测量不确定性仍在百分之几的水平，"哈勃张力"——即不同方法测得的宇宙膨胀速率存在显著差异——正是当前研究的前沿难题。
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