En la visión cosmológica de los incas, el poder sagrado de los fenómenos celestiales se manifestaba en un rico mosaico de creencias que vinculaban los acontecimientos terrenales con los del cielo nocturno. Según una concepción típicamente amerindia, se atribuía significado mítico y espiritual a los fenómenos astronómicos, actitud que se refleja, en parte, en el carácter celestial de deidades importantes como Inti (dios del sol), Mama Kilya (diosa de la luna) e Ilyap'a (dios del trueno y del tiempo atmosférico). Pero también revestía gran importancia la Vía Láctea y se consideraba a las estrellas deidades menores y protectoras de ciertas actividades terrenales.
A este respecto destacan las Pléyades, denominadas Cólica («el granero») y consideradas guardianas celestiales de las semillas y la agricultura, y junto a otras constelaciones servían para construir una calendario lunar sideral. También resultaban útiles para pronosticar la fertilidad agrícola y la producción animal. Se pensaba que el grupo de estrellas conocido como Orco-Cilay («la llama multicolor») protegía los rebaños de llamas reales y se identificaba la Chasca-Coylor («la estrella lanuda») con Venus, estrella matutina.
Si bien no se les puede considerar astrónomos en el sentido moderno, los incas realizaron observaciones sobre ciertos fenómenos celestes, como la salida y el ocaso del sol, y los relacionaron con las fases y los movimientos de la luna. Los sacerdotes-astrónomos observaban los movimientos solares para calcular las fechas de las dos celebraciones rituales más importantes, que tenían lugar en Cuzco: los solsticios de diciembre y junio. En el período del solsticio de diciembre se celebraba la gran fiesta real de Capac Raymi, centrada en los ritos de iniciación de los muchachos de ascendencia regia, y se observaba el sol al atardecer desde el Cori-cancha (Templo del Sol), en Cuzco.
Mito, religión, astronomía y el sistema de ceques (véase margen, derecha) se entretejían en las creencias de los incas. Observaban, por ejemplo, el crepúsculo el 26 de abril desde el mismo lugar en que habían estudiado el ocaso de las Pléyades alrededor del 15 de abril, un punto de la plaza central de Cuzco llamado Ushnuo. Contemplaban el crepúsculo entre dos columnas erigidas en una montaña cercana, al oeste de la ciudad, consideradas huaca sagrada, que estaban situadas en un ceque siguiendo el cual, al otro lado del horizonte, había una fuente sagrada llamada Catachillay, otro nombre de las Pléyades.
El rasgo más destacado de la astronomía inca consistía en el estudio de la Vía Láctea y las constelaciones contiguas de «nubes negras», formadas por zonas opacas de polvo interestelar (véase recuadro, abajo), como la Yacana (la Llama) y la Yuru-yutu (la Tinamou, ave parecida a la perdiz). Según el miro, cuando la llama celestial desaparece, a medianoche, va a beber agua en la tierra y así evita las inundaciones.
Habitualmente, las llamas se contaban entre los animales sacrificiales más valiosos y se ofrecían en las cimas de las montañas a la luna nueva, y en octubre no daban de comer a las de color negro con el fin de hacerlas llorar, y así pedir lluvia a los dioses.