Nebeská sféra je myšlená koule nebo v některých případech polokoule nekonečného poloměru, na kterou se promítají objekty a tělesa blízkého i vzdáleného vesmíru: Slunce, Měsíc, planety, komety, meteory, souhvězdí, hvězdy, hvězdokupy, galaxie, mlhoviny a další. Z hlediska astronomického lze nebeskou sféru definovat jako nekonečně vzdálenou sférickou plochu. Na nebeskou sféru se promítá vzájemný pohyb všech vesmírných objektů a těles, a to jak přirozených, tak i umělých (např. družic). Kromě již zmíněných skutečných objektů lze na ni fiktivně promítnout i souřadnicové sítě (sférické souřadnice), pomocné křivky či kružnice (světový rovník, ekliptika, meridián, první vertikál apod.) a významné body (světové, ekliptikální a galaktické póly, jarní a podzimní bod, apod.). Tím je umožněno např. měření vzájemné polohy objektů.
Pozorovatel, který se nachází na zemském povrchu a pozoruje denní či noční oblohu stojí přímo ve středu jakési kopule, nebeské sféry, která ho obklopuje. Nebeské sféře se také někdy říká světové sféra. Vzhledem k tomu, že jednotlivé objekty se od pozorovatele ve většině případů nachází v nepředstavitelně velkých vzdálenostech, je problém odhadnout nebo určit, který se nachází blíž a který je od pozorovatele dál. Většina objektů se totiž jeví, jakoby se nacházela přímo na nebeské sféře ve stejné vzdálenosti. Teprve použitím jiných metod, např. měřením paralaxy, měřením rudého posuvu, či měřením pomocí Cefeid lze zjistit, že ve vesmíru existují bližší a vzdálenější objekty.
Nebeská sféra se zdánlivě otáčí od východu k západu. Jedná se o důsledek rotace Země okolo vlastní osy. Při pohledu na oblohu se však zdá, že se sféra otáčí okolo severního a jižního světového pólu. To jsou význačné body, kam by směrovala fiktivně prodloužená rotační osa Země. Z relativně krátkodobého hlediska (lidského života) se může zdát, že oba světové póly svoji polohu nemění, alespoň okem změnu nelze postřehnout. Nicméně dlouhodobá měření ukazují, že se poloha obou pólů v důsledku precesního pohybu posouvá. Nebeská sféra se dá rozdělit na dvě polokoule.
Jedna z možností je dělení horizontem, kdy je jedna část sféry viditelná (nad horizontem) a druhou část sféry nevidíme, neboť je pod horizontem. Druhá možnost je rozdělení světovým rovníkem na severní a jižní oblohu. Světový rovník vznikne promítnutím zemského rovníku dál do prostoru. Jeho úhlová vzdálenost od obou pólů je 90°.
Se změnou zeměpisné polohy pozorovatele a s časovou změnou, bude docházet ke změně vzhledu nebeské sféry.
