追溯历史，希腊天文学家阿里斯塔克在公元前250年左右最早测量了地日距离。他利用月相测量太阳和月亮的体积及距离。半月之时，太阳、月亮和地球三个天体会构成一个直角，阿里斯塔克通过测量地球在日月之间的夹角计算得出，地日距离是地月距离的19倍，而且太阳也有月亮的19倍大。但是实际上太阳比月亮要大个400倍左右。
康奈尔大学天文学网指出，阿里斯塔克的测量可能是有所偏差的。首先，我们很难确定出太阳和月亮的中心点，其次，我们也不好确定月亮具体什么时候是半月。
阿里斯塔克提出了关于地球、太阳、月亮三个天体距离和大小的初步认知，虽然不够精确，但这使他得出了地球是围着太阳转的结论。而哥白尼的日心说在这之后1700年才出现。
1653年，天文学家克里斯蒂安·惠更斯计算出了地球和太阳间的距离。他利用金星的相位来确定地球、太阳、金星所构成的三角形的角度。举例来说，当金星仅半个球面被太阳照亮时，三个天体刚好形成一个以地球为直角的直角三角形。惠更斯偶然猜对了金星的大小，从而得以推求出地球到金星的距离。知道了这个距离之后，再加上三角形的几何关系，就可以计算出地球到太阳的距离了。然而，由于惠更斯这个研究中包含猜测的部分，得不到科学的保证，人们认为他的研究成果不能信服。
尽管有所谓的黑滴效应使金星凌日的测量非常困难，但这种罕见的现象，长久以来仍是测量天文单位的最佳方法。
1672年，乔瓦尼·卡西尼运用视差角度差相关方法确定了火星到地球的距离，同时也确定了太阳到地球的距离。他让同事琼·里彻去法属圭亚那，自己留在巴黎，以便用已知的两地距离去测量火星相对于背景恒星的位置，并用三角形关系推算出具体距离。一旦火星到地球的距离确定了，太阳到地球的距离也就可以计算了。由于他的研究方法更为科学，人们都愿意信服他的成果。
巴黎大学的天文学家尼科尔·卡皮坦向表示：“天文学家用物理单位来表达天体间的距离会存在很多困难，但是用天文单位来表示，问题就迎刃而解了。天文单位的表示方法一直以来广为应用，因为天文学家在太阳系中测量天体间的距离可不像测量角度那样精细。”
随着航天器和雷达的出现，人们就可以用更精确的方法来直接测量地球与太阳之间的距离了。 天文单位（AU）曾经的定义是“在太阳引力作用下沿以太阳中心为圆心的圆轨道，以每天0.01720209895弧度的角速度（高斯常数）运动的，无质量粒子的轨道半径”。
这个定义不仅给天文学家无端增负，还不完全符合广义相对论。对于这个旧定义而言，天文单位（AU）的数值会随着观察者在太阳系中的位置变化而改变。如果观察者在木星上用旧定义计算地日距离，计算结果会和他在地球上测量计算得到的结果偏差1000米（3280英尺）左右。
