Kế thừa những thành tựu của thiên văn học Lưỡng Hà, người Hy Lạp cổ đại đã có bước
Mô hình vũ trụ của Plotemy
phát triển quan trọng trong lý thuyết và phương pháp tính toán để đưa thiên văn học tiến một bước dài. Những gì mà họ tạo ra sau này đã được người Ả Rập và châu Âu tiếp tục sử dụng.
    Vào buổi sơ khai, người Ai Cập cổ đại quan niệm vũ trụ được mặt đất chia thành hai phần, phần trên là bầu trời sáng láng còn phía dưới là địa ngục tối tăm. Ban ngày Thần Mặt trời cưỡi cỗ xe rực lửa chạy khắp bầu trời và ban đêm bơi trên một cái chén vàng theo đại dương bao quanh mặt đất.

     Vào thế kỷ 6 TCN, Thales (khoảng 624 TCN – khoảng 546 TCN) đã

dự báo chính xác nhật thực xảy ra vào ngày 28 tháng 5 năm 585 TCN khi quan sát nhật thực lớn vào 18 tháng 5 năm 603 TCN, một tiến bộ quan trọng lúc đó.[15] Ông chứng tỏ rằng các ngôi sao phát sáng nhờ ánh sáng của mình, trong khi Mặt Trăng được chiếu sáng nhờ ánh sáng Mặt Trời. Theo Thales, mặt đất là một chiếc ván phẳng bơi trên mặt nước.


      Học trò của ông -
Anaximander (khoảng 611 TCN – khoảng 546 TCN) đã đưa ra một mô hình vũ trụ theo thuyết địa tâm đầu tiên trong lịch sử thiên văn học. Theo đó Trái Đất là trung tâm và bao quanh bởi ba vòng cầu lửa, vòng gần Trái Đất nhất có nhiều lỗ thủng nhỏ chính là những ngôi sao, vòng xa hơn có một lỗ thủng lớn - Mặt Trăng và vòng xa nhất có một lỗ thủng lớn nhất - Mặt Trời. Đó là một bước phát triển quan trọng bởi trước ông, những nghiên cứu thiên văn học chỉ dựa trên quan sát chứ không phải suy luận. Không những thế ông còn tìm cách giải thích nguồn gốc của vũ trụ: cái không giới hạn (Apeiron) là khởi đầu của tồn tại; vũ trụ sinh ra, trưởng thành rồi chết đi và lại sinh ra theo vòng tuần hoàn.

     Nhà triết học
Pythagoras (khoảng 580 TCN – khoảng 500 TCN) cũng cho rằng Trái Đất là một quả cầu nằm tại trung tâm vũ trụ và phát hiện ra rằng sao Hôm và sao Mai chỉ là một hành tinh.  Sau đó Anaxagoras (500 TCN – 428 TCN) đưa ra mô hình vũ trụ là một quả bóng hình cầu đang nở ra với Trái Đất là trung tâm. Ông cho rằng, Mặt Trời là một tảng đá nóng bỏng lớn hơn bán đảo Peloponnésos. Democritus (khoảng 460 TCN – khoảng 370 TCN) đưa ra ý niệm có vô số thế giới tồn tại trong vũ trụ vô cùng vô tận và được cấu thành bởi vô vàn các hạt nguyên tử.  
Các con thú trên hoàng đạo theo thiên văn học
Hy Lạp cổ đại, viện bảo tàng Louvre.

    Nhà triết học Philolaus (470 TCN – mất?) coi Trái Đất là một trong những ngôi sao và chuyển động vòng tròn quanh một tâm điểm gây ra ngày và đêm. Vũ trụ của ông quay xung quanh mọt "ngọn lửa thần thánh" và gồm có bầu trời, các hành tinh, sau chúng là Mặt Trời, dưới Mặt Trời là Mặt Trăng, dưới Mặt Trăng là Trái Đất và Đối Trái Đất (Antichtone) giả thuyết nằm ẩn mặt phía sau ngọn lửa thần thánh. Philolaus cho rằng, Trái Đất quay quanh trục của mình.

     Nhà triết học Plato (sinh khoảng 428 TCN- 423 TCN; mất khoảng 348 TCN- 347 TCN) trong tác phẩm Triết học tự nhiên (Timaeus) của mình đã cho rằng vũ trụ là do Đấng Sáng Tạo tạo ra bởi một hỗn hợp gồm hai bản thể: bản thể tinh thần không thể phân chia và bản thể vật chất có thể phân chia. Vũ trụ phân thành 7 vòng với khoảng cách không đều nhau có tâm là Trái Đất. Khoảng cách tương đối từ Trái Đất đến quỹ đạo của các thiên thể theo tỷ lệ gấp đôi hoặc gấp ba, tỷ lệ mà theo ông các vòm cầu của vũ trụ đạt được sự hài hòa.

      Đến thế kỷ 4 TCN, nền khoa học nói chung và thiên văn học nói riêng của Hy Lạp đã đạt đến trình độ chuyển từ suy luận chung sang nghiên cứu một cách cụ thể và có hệ thống các hiện tượng tự nhiên.
       Eudoxus (khoảng 408 TCN - khoảng 347 TCN), người cùng thời với Plato đã có những đóng góp tiêu biểu cho khuynh hướng này. Ngoài việc vẽ được hình chiếu của chí tuyến trời và vòng Cực Bắc lên bề mặt Trái Đất cũng như đưa ra tỷ lệ giữa khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng và Mặt Trời, ông đã xây dựng giả thuyết về chuyển động của các hành tinh, còn gọi là giả thuyết về các hình cầu đồng tâm. Đây là mô hình có tính chất hình học đầu tiên về chuyển động của các hành tinh.  Lý thuyết của ông cho rằng chuyển động biểu kiến của các hành tinh là tổng của các chuyển động xoay tròn đồng mức. Chuyển động của mỗi hành tinh là một tổ hợp của một số vòm cầu lồng vào nhau, các cực của mỗi vòm được xếp liên tiếp chồng lên nhau. Để mô tả chuyển động của Mặt Trăng, Mặt Trời, cần 3 vòm cầu, cái thứ nhất mô tả chuyển động quay quanh trục của nó; cái thứ hai mô tả các tiết điểm (giao điểm của của hoàng đạo và đường đi của Mặt Trăng trên hoàng đới); cái thứ ba có trục hơi nghiêng so với các cực của vòm cầu thứ hai mô tả độ lệch góc của quỹ đạo so với mặt phẳng hoàng đạo. Các hành tinh có chuyển động biểu kiến phức tạp hơn thì cần tới 4 vòm cầu và hệ thống của ông có tổng cộng 27 vòm cầu. Sau đó Callippus (khoảng 370 TCN - khoảng 300 TCN) đưa thêm vào 6 vòm cầu nữa thành 33 và Aristotle tăng số lượng của chúng lên 55.
     Aristotle (384 TCN - 322 TCN) cũng cho rằng chuyển động hướng tâm và ly tâm là chuyển động tự nhiên còn những chuyển động khác phải có lực tác động vào. Sở dĩ các thiên thể chuyển động được là do "sức đẩy nguyên thủy" có tính chất thần thánh, nằm ngoài không gian và thời gian. Lý thuyết về vũ trụ của ông có ảnh hưởng sâu sắc đến các học giả thời Trung Cổ và họ đã điều chỉnh nó cho phù hợp với giáo lý Ki - tô. Được hậu thuẫn bởi giới chức tôn giáo, mô hình của Aristotle đã tồn tại nhiều thế kỷ, và thật không may mắn, điều này đã kìm hãm sự phát triển của khoa học bởi lẽ rất ít người dám thách thức quyền lực của nhà thờ. 
      Dùng phương pháp đo góc, Eratosthenes (276 TCN - 194 TCN) đã tính toán được đường kính Trái Đất. Mặc dù độ chính xác của con số này là chủ đề tranh luận của các học giả nhưng chắc chắn rằng nó ở mức cao, thậm chí tuyệt vời.

     Sau khi La Mã xâm chiếm Hy Lạp, các nhà thiên văn học người Hy Lạp vẫn tiếp tục hành trình khám phá của mình. Ngoài việc dùng phương pháp đo góc để tính toán khoảng cách tương đối từ Trái Đất đến Mặt Trăng và Mặt Trời, Aristarchus (310 TCN - khoảng 230 TCN) còn là người đầu tiên trình bày một cách rõ ràng và có hệ thống về thuyết nhật tâm. Theo đó, Mặt Trăng quay quanh Trái Đất, Trái Đất quay quanh trục của nó và các hành tinh quay quanh Mặt Trời. 
      Hipparchus (khoảng 190 TCN - khoảng 120 TCN) cũng có những đóng góp quan trọng. Ngoài việc xác định hoàng vĩ và hoàng kinh (kinh độ và vĩ độ theo hệ tọa độ hoàng đạo) của 850 ngôi sao, ông đã đưa ra ý niệm về cấp sao biểu kiến. Ông cũng là người khám phá ra hiện tượng tuế sai trong chuyển động của các hành tinh, tính toán độ dài của một năm,
Bản đồ thế giới của Plotemy
khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt Trăng với độ chính xác cao. 
     Sử dụng thành tựu của những người đi trước, Ptolemy (khoảng 100 - khoảng 178) đã tiếp tục xây dựng, phát triển lý thuyết về chuyển động biểu kiến của hành tinh. Ông đã sáng chế ra những dụng cụ đo góc để quan sát các vì sao như thước xích cầu, thước ngắm tam giác... và bổ sung vào danh mục các vì sao của Hipparchus đưa tổng số lên đến 1022. Mô hình vũ trụ của ông lấy Trái Đất làm trung tâm, các thiên thể chuyển động quanh đó. Các hành tinh không quanh quanh Trái Đất mà chuyển động đều trên các vòng tròn phụ gọi là ngoại luân và tâm của các ngoại luân mới mới chuyển động đều quanh Trái Đất theo vòng tròn lớn gọi là bản luân. Mô hình của Ptolemy đã được chấp nhận rộng rãi cho đến tận thời Phục Hưng khi Nicolaus Copernicus khẳng định Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời. Ngoài các công trình nghiên cứu thiên văn được tập hợp thành bộ sách đồ sộ Almagest, ông còn để lại những chỉ dẫn về chiêm tinh học trong tác phẩm Tetrabiblos.
  Claudius Ptolemaeus

       Claudius Ptolemaeus (tiếng Hy Lạp: Κλαύδιος Πτολεμαῖος Klaudios Ptolemaios),

hoặc một cách đơn giản là Ptolemaeus, Ptolemy hay Ptolémée hay Ptôlêmê, (khoảng 100-178) là một nhà bác học Hy Lạp xuất xứ từ Tebaida, học hành và làm việc tại Alexandria. Ông đã viết nhiều tác phẩm trong các lĩnh vực như toán học, thiên văn học, địa lý và nhạc.
      Ptôlêmê sinh ra ở thành phố Ptôlêmai Hecmin (Thượng Ai Cập), học tập và làm việc
Plotemy
chủ yếu ở Alêchxanđria (thủ đô Ai Cập thời Hy Lạp hóa). Alêchxanđria là một trung tâm của văn hóa Hy Lạp cổ đại thời kỳ Hy Lạp hóa. ở đó có một thư viện lớn tập trung rất nhiều sách vở của thế giới cổ đại phương Đông và phương Tây, và cũng là nơi tập trung nhiều nhà bác học danh tiếng trên thế giới. Nhờ đó, Ptôlêmê đã tiếp thu được một kiến thức rất uyên bác về toán, thiên văn và địa lý học.
      Ptôlêmê có công đóng góp vào việc phát triển môn thiên văn học. Cuốn Hệ thống vũ trụ là một bản sưu tập, đúc kết những kiến thức thiên văn của người Ai Cập, Babilon và Hy Lạp trước kia. Ptôlêmê nhận định là Trái đất hình tròn, nhưng lại cho Trái đất là trung tâm vũ trị. Học thuyết của Ptôlêmê đã chi phối nền thiên văn học châu Âu trong suốt thời trung đại. Thuyết Trái đất hình tròn của ông đã giúp cho Crixtôphô Côlômbô tìm ra châu Mỹ, còn thuyết “Trái đất là trung tâm của vũ trụ” của ông mãi đến nửa đầu thế kỷ XVI mới bị thuyết hệ thống Mặt trời (Thái dương hệ) của Côpecnich đánh đổ.
      Cuốn Địa lý của ông cũng có uy tín lớn trong các nhà bác học ở thời trung đại. Ông còn vẽ được một bản đồ thế giới bao ba châu: Âu, á và Phi. Tuy bản đồ này còn thô sơ, thiếu chính xác, nhưng có giá trị đối với thời bấy giờ.