La posizione del Sole e quella delle stelle più luminose rispetto alla Stella Polare costituirono a lungo i punti di riferimento essenziali per orientarsi in mare. Oltre all'osservazione degli astri, le tecniche di orientamento utilizzavano una valutazione delle distanze percorse effettuate stimando con metodi empirici la velocità media della nave. Queste tecniche elementari furono perfezionate, a partire dal XIII secolo, con l'introduzione della bussola e successivamente con la preparazione di carte, dette portolani, che descrivevano i profili costieri. I sistemi di navigazione rimasero sostanzialmente invariati fino al XV e al XVI secolo, quando, grazie soprattutto ai portoghesi, la cartografia nautica ricevette un impulso notevole: furono prodotte tavole affidabili della declinazione solare e fu messo a punto l'astrolabio nautico.

Poco dopo la metà del Cinquecento apparve il log, uno strumento che consentiva di misurare con maggior precisione la velocità della nave. Le tecniche tradizionali, che consentivano di orientarsi con relativa facilità nel piccolo bacino del Mediterraneo, mostrarono i loro limiti quando presero avvio le navigazioni oceaniche. In particolare appariva drammatica la mancanza di un metodo sicuro per determinare la longitudine in mare. Dopo l'esito sfortunato delle proposte avanzate di soluzione del problema con metodi astronomici, ai quali partecipò anche Galileo, la soluzione fu trovata nella seconda metà del Settecento da un ingegnoso artefice inglese, John Harrison. Egli elaborò, infatti, un cronografo di grandissima precisione che consentiva di confrontare l'ora locale con quella del porto di partenza, del quale era nota la longitudine.