Σε αντίθεση με τους Βαβυλώνιους και τους Αιγυπτίους, οι οποίοι παρατήρησαν τους ουρανούς κυρίως για να παρακολουθήσουν τις εποχές, οι Έλληνες προσέγγισαν την αστρονομία από μια πολύ πιο θεμελιώδη και θεωρητική άποψη: ήθελαν να μάθουν τη βασική φύση και τον τρόπο που λειτουργεί το σύμπαν.
Οι πρώτες θεωρίες για τη Γη, τη Σελήνη, τον Ήλιο, τους πλανήτες και τα αστέρια προτάθηκαν από τον Θαλή, τον Αναξίμανδρο, τον Αναξιμένη, τον Πυθαγόρα και τον Αναξαγόρα από τον 6ο αιώνα π.Χ. Την εποχή του μεγάλου μαθηματικού και αστρονόμου Εύδοξου του Κνίδιου (408-355 π.Χ.) εφαρμόστηκε ένα πρότυπο ελληνικό κοσμολογικό μοντέλο με τη Γη στο κέντρο του σύμπαντος, που περιβάλλεται από μια σειρά ομόκεντρων σφαιρών όπου συγκρατούν, σε σειρά αυξανόμενης απόστασης, τη Σελήνη, τον Ερμή, την Αφροδίτη, τον Ήλιο, τον Άρη, τον Δία, τον Κρόνο και τα αστέρια.
Ο Εύδοξος, ο Ηρακλείδης ο Ποντικός (387 – 312 π.Χ.) καθώς και ο αστρονόμος-μαθηματικός Κάλλιππος, μαθητής του Εύδοξου στην Ακαδημία του Πλάτωνα, ανέπτυξαν αυτή την ιδέα (την γεωκεντρική) περαιτέρω.
Αντίθετα η άποψη του Αρίσταρχου του Σάμιου,(310-230 π.Χ.), που πρώτος πρότεινε το ηλιοκεντρικό μοντέλο του Ηλιακού Συστήματος, θέτοντας τον Ήλιο και όχι τη Γη, στο κέντρο του γνωστού Σύμπαντος, δεν αγκαλιάστηκε ποτέ από τους Έλληνες, εν μέρει επειδή ο μεγάλος φιλόσοφος Αριστοτέλης, περίπου 50 χρόνια νωρίτερα, είχε «αποδείξει» με πολλά φιλοσοφικά επιχειρήματα ότι η Γη πρέπει να είναι το κέντρο του Κόσμου. Άλλος ένας από τους λόγους που το έργο του δεν έγινε όσο γνωστό θα έπρεπε ήταν και το γεγονός ότι ο Αρίσταρχος διώχθηκε για τις ιδέες του, οι οποίες «ετάρασσαν την ηρεμία των Ολυμπίων».
Σημαντικά έργα παρατηρήσεων έγιναν από τον Αρίσταρχο, τον Ερατοσθένη και τον Ίππαρχο, ο οποίος άρχισε να αποκαλύπτει την κλίμακα του Ηλιακού Συστήματος και να καταγράφει με ακρίβεια τις θέσεις των αστεριών. Ο Ίππαρχος διέκρινε για πρώτη φορά το αστρικό από το ηλιακό έτος, απέδειξε την ανισότητα των εποχών και των ωρών του έτους, υπολόγισε την μέση παράλλαξη της Σελήνης και την αντίστοιχη παράλλαξη του Ήλιου, μέτρησε την περίμετρο της Γης, υπολόγισε τη διάμετρο της Σελήνης κ.α. Δίκαια κατατάσσετε ανάμεσα στους μεγαλύτερους αστρονόμους όλων των εποχών.
Περίπου το 125 μ.Χ., ο Πτολεμαίος, ένας θεωρητικός που ζούσε στην Αλεξανδρινή Αίγυπτο, περιέγραψε την ελληνική αστρονομική γνώση, συμπεριλαμβανομένης της γεωκεντρικής θεωρίας, σε ένα βιβλίο που ονομάζεται (από τους Άραβες) Αλμαγέστη. Μετά την γενιά του Πτολεμαίου, οι αρχαίοι πολιτισμοί άρχισαν να μειώνονται. Η αστρονομία σταμάτησε στην Ευρώπη με την πτώση της Ρώμης και μετά από 1..400 χρόνια περίπου τέθηκε επιτέλους σοβαρά σε αμφισβήτηση το Πτολεμαϊκό σύστημα.