Tous les corps célestes (le Soleil, la Lune, les planètes, les étoiles, les galaxies lointaines) sont projetés sur la surface interne de cette sphère, comme s'ils étaient collés à égale distance de nous. Cette projection efface volontairement la notion de profondeur. Ainsi, deux étoiles qui nous apparaissent côte à côte dans le ciel, comme celles formant une constellation, peuvent en réalité être séparées par des centaines d'années-lumière, mais sur la sphère céleste, seule leur direction angulaire compte.

L'utilité première de ce modèle est de transformer le problème tridimensionnel complexe du repérage des astres en un simple problème de coordonnées à deux dimensions sur une surface sphérique. Pour cela, on prolonge les concepts géographiques terrestres dans l'espace. L'axe de rotation de la Terre, si on l'étend à l'infini, vient percer la sphère céleste en deux points : le pôle Nord céleste et le pôle Sud céleste. Le pôle Nord céleste est actuellement situé très près de l'étoile Polaire, ce qui en fait un repère essentiel. De la même manière, le plan de l'équateur terrestre, gonflé jusqu'à toucher la sphère imaginaire, y dessine un grand cercle : l'équateur céleste. Ces références sont le socle du système de coordonnées équatoriales, l'un des plus utilisés, qui permet de donner une adresse fixe à chaque étoile grâce à deux angles, l'ascension droite et la déclinaison, qui sont les équivalents de la longitude et de la latitude terrestres.

Notre perception quotidienne du mouvement du ciel est la raison d'être de la sphère céleste. Nous savons pertinemment que c'est la Terre qui tourne sur elle-même et non le ciel qui défile autour de nous. Pourtant, notre expérience visuelle est celle d'une voûte immense qui pivote. La sphère céleste permet de modéliser ce mouvement apparent avec une grande fidélité. Elle semble tourner d'un seul bloc autour d'un axe fixe passant par les pôles célestes, effectuant une rotation complète en un jour sidéral. Ce mouvement d'ensemble emporte tout avec lui : les étoiles se lèvent à l'est, culminent au sud (dans l'hémisphère nord) et se couchent à l'ouest, décrivant des trajectoires circulaires parfaites sur la surface de la sphère. En apparence fixes les unes par rapports aux autres sur la sphère célestes les étoiles forment dans l'imaginaire des figures appelées constellations (Lyre, Andromède, Hercule, Orion, etc.), qui ont servi à définir des zones de cette sphère, au limites standardisées, au nombre de 88 (Liste des constellations), et qui offrent déjà une manière rudimentaire de repérer les astres (Alpha de la Lyre, Galaxie d'Andromède, amas d'Hercule,  nébuleuse d'Orion, etc.).

Cependant, dans cette toile de fond étoilée apparemment fixe, certains astres se distinguent par leur errance. Les Anciens les appelaient "planètes", ce qui signifie "astres errants". Sur la sphère céleste, le Soleil, la Lune et les planètes du système solaire ne restent pas immobiles par rapport aux étoiles lointaines ; ils se déplacent lentement, décrivant des trajectoires complexes. Le chemin annuel du Soleil sur cette sphère est une ligne particulière et essentielle nommée l'écliptique. Ce grand cercle est en réalité la projection du plan de l'orbite terrestre autour du Soleil. Il est incliné d'environ 23,5 degrés par rapport à l'équateur céleste, une inclinaison qui est la cause fondamentale de nos saisons. La Lune et les autres planètes du Système solaire ne s'écartent jamais beaucoup de cette ligne, car leurs orbites sont globalement dans le même plan. La bande de ciel qui entoure l'écliptique, traversée par ces chemins vagabonds, est le zodiaque. Le zodiaque est un parfait exemple de la manière dont la sphère céleste a structuré la pensée humaine. Cette zone a été découpée en douze constellations par les astronomes babyloniens et grecs, offrant un calendrier cosmique : la position du Soleil sur l'écliptique chaque mois de l'année déterminait le signe zodiacal. C'est un héritage culturel directement issu de ce modèle géométrique.

Bien que l'astrophysique moderne nous ait appris que l'univers est un espace tridimensionnel en expansion, sans centre ni bord, la sphère céleste demeure un outil pédagogique et pratique irremplaçable. C'est le concept central de la navigation astronomique, qui a guidé les marins pendant des siècles à l'aide du sextant, un instrument qui mesure précisément des hauteurs angulaires sur cette sphère. C'est aussi le principe de base des planétariums, ces salles de projection en forme de dôme qui ne sont rien d'autre que des reproductions physiques de la sphère céleste, nous permettant de voir les mouvements du ciel en accéléré. Dans tous les télescopes modernes, même les plus puissants, les systèmes de pointage utilisent le système de coordonnées équatoriales hérité de ce modèle.