人類對太陽的觀測可以追溯到西元前2000年，在中國古代的典籍《尚書》中記載了發生在夏代的一次日食。中國古代漢字中用⊙代表太陽，表明中國很早以前就已看到了太陽黑子。《漢書·五行志》中記載了人類最早的黑子記錄：「日出黃，有黑氣大如錢，居日中央。」西元前400年，希臘人曾經看到過太陽黑子，但在歐洲被遺忘，直到1605年伽利略通過望遠鏡重新發現了它。
人類對太陽的最基本瞭解是在天空上發光的一個圓盤，當它在地平線上時創造了白天，消失時就造成夜晚。在許多古文化和史前文化中，太陽被認為是太陽神或其他超自然的現象。像是南美的印加和阿茲特克 (現在的墨西哥) 都有崇拜太陽的中心文化；許多古蹟的修築都與太陽現象有關，例如巨石準確的標示出冬至或夏至至點的方向 (一些知名的石柱群位於Nabta Playa、埃及、Mnajdra、馬爾他和英國的巨石陣)； 紐格萊奇墓，一個史前人類在愛爾蘭的建築物，目的是在檢測冬至；在墨西哥奇琴伊察的艾爾堡金字塔設計成在春分和秋分的影子像蛇在爬金字塔的樣子。
在羅馬帝國晚期太陽的生日是在冬至之後的一個慶典假日，稱為無敵太陽，有可能就是聖誕節的前身。作為一顆恆星，從地球上看到太陽每年沿著黃道帶上的黃道繞行一圈，所以希臘天文學家認為它也是七顆行星之一；在一些語言中還用來命名一周七天中的一天。
在西元前1,000年，巴比倫天文學家觀察到太陽沿著黃道的運動是不均勻的，雖然他們不瞭解為何會如此。而今天我們知道是因為地球以橢圓軌道繞著太陽運行，使得地球在接近近日點的速度較快，而在遠日點時速度較慢。第一位嘗試以科學或哲學解釋太陽的人是希臘哲學家阿那克薩哥拉，他推斷太陽是一個巨大的金屬火球，比在伯羅奔尼撒的赫利俄斯戰車還要大，同時月球是反射太陽的光。他因為傳授這種異端被判決死刑而遭到囚禁，後來因為伯裏克利介入調節而獲釋。
艾拉托斯特尼在西元前3世紀估計地球和太陽之間的距離大約是400和80,000斯達地，其中的翻譯是含糊不清的，暗示是4,080,000斯達地 (755,000公里) 或是804,000,000斯達地(148 至153百萬公里，或0.99至1.02天文單位)；後面的數值與今天所用的誤差只有幾個百分點。在西元前一世紀，托勒密估計這個距離是地球半徑的1,210倍，大約是771萬公里 (0.0515 AU)。
古希臘的阿裏斯塔克斯在西元前3世紀最早提出行星是乙太陽為中心環繞著運轉的理論，稍後得到塞琉西亞的塞琉古的認同 。這在很大程度上仍是哲學上的預測，到了16世紀才由哥白尼發展出數學模型的日心系統。在17世紀初期，望遠鏡的發明使得托馬斯·哈裏奧特、伽利略和其他的天文學家能夠詳細的觀察太陽黑子。伽利略做出一些已知是最早觀測太陽黑子的報告，並提出它們是在太陽的表面，而不是通過地球和太陽之間的小天體。漢朝 (西元前206至西元220年)的中國天文學家也對黑子持續觀測和記錄了數個世紀。伊斯蘭的伊本·魯世德也提供了12世紀的黑子描述。
阿拉伯天文學的貢獻包括巴塔尼發現太陽離心率的方向變化，和伊本尤努斯 (Ibn Yunus) 多年來使用大的星盤觀察超過10,000次的太陽位置。伊本·西那在1032年第一次觀測到金星淩日，他推論出金星比地球更靠近太陽，而伊本·巴哲則是在12世紀首次觀測到水星淩日的人之一 。
1239年，俄羅斯的編年史中曾提到過日珥，稱其為「火舌」，1842年在一次日食中重新發現了日珥。1843年，Schwabe發現了太陽活動的11年週期，1851年在一次日食中拍攝到了第一張日冕的照片。1859年人們發現了太陽閃焰。
在1672年，喬凡尼·多美尼科·凱西尼和Jean Richer確定了火星的距離，因此可以計算出太陽的距離。艾薩克·牛頓使用三稜鏡觀察太陽光，顯示出陽光是由各種不同的顏色組合而成，而威廉·赫歇爾在1800年發現在超越太陽光譜的紅色部分之外，還有紅外線的輻射。19世紀的光譜學使太陽研究有所進展。1824年，夫朗和斐首度發現光譜中的吸收線，最強的幾條吸收線迄今仍被稱為夫朗和斐線；將太陽光譜展開，可以發現更大量的吸收線，造成更多的顏色消失不見。1868年又在太陽光譜中發現了一種新的元素，取名為氦（helium，意為太陽神）；次年又發現了新的譜線，認為是另外一種元素，定名為coronium，後來證明這只是普通元素的高電離態譜線。
在現代科學時代的初期，太陽能量的來源是個巨大的謎。凱爾文爵士建議太陽是一個正在冷卻的液體球，輻射出儲藏在內部的熱。凱爾文和赫爾曼·馮·亥姆霍茲然後提出重力收縮機制來解釋能量的輸出。很不幸的，由此產生的年齡估計只有2,000萬歲，遠短於當時以地質上的發現所估計出至少3億年的時間跨度。在1890年， 約瑟夫·洛克爾在太陽光譜中發現氦，提出太陽形成和演化的隕石說。
直到1904年解決的方案才被提出，拉塞福建議太陽的輸出可以由內部的熱源提供，並建議放射性衰變是這個來源。不過，阿爾伯特·愛因斯坦提出的質能等價關係 E = mc2為太陽的能量來源提供了線索。1908年，美國天文學家海耳發現黑子具有很強的磁場。1930年發明瞭日冕儀，使得隨時觀測日冕成為可能。
在1920年，亞瑟·愛丁頓爵士建議在太陽核心的溫度和壓力導致核融合將氫 (質子) 合併成氦核，從質量淨變動的結果產生了能量。Cecilia Payne在1925年證實氫在太陽中佔的優勢，核融合的理論概念也在1930年代由天文物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡和漢斯·貝特發展出來。漢斯·貝特仔細的計算了兩種太陽能量主要來源的核反應，在1938年提出了恆星內部質子-質子鏈反應和碳氮氧循環兩種核反應過程，闡明瞭太陽的能源機制。
最後，瑪格麗特在1957年發表了名為在恆星內部的元素合成的論文，這篇論文令人信服的論證出，在宇宙中絕大部分恆星內部的元素合成，都像我們的太陽一樣。1975年Deubner奠定了日震學的基礎。
在1970年代，兩艘太陽神太空船和天空實驗室的阿波羅望遠鏡架台位科學家提供了大量的太陽風和日冕的資料。太陽神1號和2號太空船是美國和德國合作，在水星近日點內側的軌道上研究太陽風，天空實驗室是NASA在1973年發射的太空站，包括一個由駐站的太空人操作，稱為阿波羅望遠鏡架台的太陽天文臺。天空實驗室首度從太陽日冕的紫外線輻射中分辨出太陽的過渡區。它的發現還包括首度觀測到日冕物質拋射，然後被稱為日冕瞬變，和現在已經知道與太陽風關係密切的冕洞。
在1980年，NASA發射了SMM，這艘太空船設計在太陽最活躍的期間和太陽發光率，以γ射線、X射線和紫外線觀察來自太陽閃焰的輻射。不過，就在發射之後幾個月，因為內部的電子零件故障，造成探測器進入待機模式，之後的三年它都處在這種待命的狀態。在1984年，挑戰者號太空梭在STS-41C的任務中取回這顆衛星，修復了電子零件後再送回軌道。之後，太陽極限任務在1989年6月重返地球的大氣層之前，獲得了成千上萬的影像。。。。
太陽對人類而言至關重要。地球大氣的循環，晝夜與四季的輪替，地球冷暖的變化都是太陽作用的結果。對於天文學家來說，太陽是唯一能夠觀測到表面細節的恆星。通過對太陽的研究，人類可以推斷宇宙中其他恆星的特性，人類對恆星的瞭解大部分都來自於太陽。
在希臘神話中，太陽的保護神是阿波羅。在中國神話傳說中，太陽是一種叫做「金烏」並有三條腿的鳥。《淮南子·本經訓》：「逮至堯之時，十日並出，焦禾稼，殺草木，而民無所食。」《竹書紀年》亦載「八年，天有妖孽，十日並出」。《山海經·海外東經》和《大荒南經》、《楚辭·天問》等亦載有此傳說。在北歐神話中，蘇爾是駕駛日車的女神。
