Himmelssfären är en imaginär struktur som ofta används inom astronomi och navigering för att hjälpa till att föreställa himlakropparnas relativa position i förhållande till en observatör på jorden. Det kan enklast föreställas som en sfär som är större än jorden, även om ingen speciell storlek är nödvändig, som är koncentrisk med jorden själv. På insidan av denna sfär kan de olika himlaobjekt som kan observeras från jorden, såsom andra planeter och stjärnor, projiceras. Himmelssfären är därför en imaginär sfär på vilken de olika himlaobjekten placeras för att lättare kunna diskutera deras relativa placering till en observatör på jorden, snarare än deras verkliga placeringar i universum.
Medan den himmelska sfären en gång av vissa ansågs vara ett verkligt föremål, ofta använt för att förklara placeringen av föremål på den synliga himlen, anses den nu vara en rent mänsklig konstruktion. Dess användning inom vetenskapliga områden, såsom astronomi, fortsätter på grund av dess enkelhet, även om det är viktigt för studenter i astronomi att inse att ingen sådan sfär verkligen existerar. Termen ”himmelsfär” kan också användas för att hänvisa till en fysisk modell som representerar den relativa placeringen av himlakroppar på insidan eller utsidan av en jordglob.
Ett av de enklaste sätten att föreställa sig den himmelska sfären är för en person att visualisera jorden som en helhet. Från nord- och sydpolen kan linjer förlängas utåt för att skapa nya nord- och sydpoler på insidan av en större sfär. Jordens meridian och ekvator kan också utökas för att skapa en himmelsmeridian och ekvator, vilket skapar en enkel representation av hur en observatör på jorden ser avlägsna objekt. Olika himlakroppar kan sedan placeras på himlasfären på ett sätt som indikerar deras upplevda position från jorden.
Skapandet av en imaginär himlasfär gör det lättare att studera och diskutera himlakroppar. Studenter i astronomi förstår att de faktiska positionerna för olika stjärnor och planeter inte på något sätt är relaterade till hur de uppfattas från jorden, men sådana positioner i tredimensionell rymd är ofta svåra att förstå och utnyttja. En enskild himmelssfär kan också skapas för en viss observatör, genom att skapa en polpunkt direkt ovanför honom eller henne, med en meridian som löper norr och söder från denna punkt. Den personliga sfären använder en ekvator som representerar observatörens position på jordens yta, och även om en hel sfär kan skapas, är bara hälften av sfären synlig av observatören vid varje given tidpunkt.