Gréckej astronómie vďačíme za významných astronómov a za utvorenie geocentrického svetového systému.
Táles z Milétu (asi 625-547 pred n. l.)pozoroval 18. mája 603 pred n. l. veľké zatmenie Slnka a úspešne ho predpovedal na deň 28. mája 585 pred n. l. Dokazoval, že hviezdy svietia svojím vlastným svetlom, kým Mesiac iba odrazeným svetlom Slnka. Zem ešte stále pokladal za plochú dosku plávajúcu na vodách.
Anaximandros (asi 611-546 pred n. l.) ako prvý jasnejšie formuloval geocentrickú predstavu, podľa ktorej Zem je centrálnym telesom celého viditeľného sveta.
Pytagoras (asi 580-500 pred n. l.) podľa všetkého ako prvý vyslovil myšlienku, že Zem je guľa nachádzajúca sa v strede vesmíru. Rozličné vlastnosti hmoty sa snažil objasniť pomocou čísel.
Anaxagoras (500-428 pred n. l.) predpokladal, že Slnko je žeravý kameň, väčší ako Peloponéz.
Ďalší pytagorovec Filolaos sformuloval svetový systém s centrálnym ohňom v strede vesmíru, okolo ktorého obieha Zem, hypotetická protizem presne na opačnej strane ohňa (ktorú preto nikdy nemožno zo Zeme vidieť), Slnko, Mesiac a všetky planéty. Vyslovil myšlienku, že Zem sa otáča okolo svojej osi.
Demokritos (asi 460-370 pred n. l.) učil, že vesmír je nekonečný a že je v ňom nekonečné množstvo svetov. Mliečnu cestu v podstate správne vysvetlil ako súbor veľkého množstva hviezd.
Eudoxos z Knidu (408-355 pred n. l.), žiak gréckeho filozofa Platóna (427-347 pred n. l.), ktorý poznal nepravidelnosti zdanlivého pohybu planét, položil vedecké základy astronómie. Utvoril prvú geocentrickú teóriu pohybu Slnka, Mesiaca, planét a hviezd okolo Zeme. Predpokladal, že sú pripevnené na pevných, koncentrických sférach otáčajúcich sa okolo Zeme.
Ďalší rozvoj astronómie v starom Grécku a neskôr aj v celej Európe veľmi výrazne ovplyvnili myšlienky génia staroveku Aristotela (384-322 pred n. l.). Tento grécky filozof systematicky usporiadal všetky dovtedajšie poznatky o vesmíre a o pohybe telies. Z pozorovaní tieňa Zeme pri zatmení Mesiaca ako prvý experimentálne odvodil guľový tvar Zeme. Do svojho geocentrického svetového systému skĺbil zovšeobecnené empirické poznatky so svojimi filozofickými predstavami. Nehybná Zem je v jeho systéme centrom celého vesmíru.
Okolo Zeme obiehajú po dokonalých kruhových dráhach na koncentrických pevných sférach Mesiac, Slnko, päť vtedy známych planét (Merkúr, Venuša, Mars, Jupiter a Saturn), každá z nich vždy na ďalšej sfére. Najďalej od Zeme je sféra "nehybných hviezd". Aristoteles rozlišoval sublunárnu oblasť (od Zeme po sféru Mesiaca) a supralunárnu oblasť (nad sférou Mesiaca). Sublunárnu oblasť tvorili podľa jeho predstavy štyri základné elementy: oheň, vzduch, voda a zem; supralunárnu oblasť tvoril absolútne beztiažový éter, z ktorého pozostáva Slnko i každá z hviezd. Kométy považoval za krátkodobé atmosferické javy a Mliečnu cestu za éterické výpary, vyvolané rýchlym pohybom hviezd okolo Zeme. Pohyb Zeme vo vesmíre Aristoteles kategoricky popieral. Jeho argumentom bol fakt, že vesmírny pohyb Zeme by sa musel prejaviť v zdanlivom protismernom pohybe hviezd, čomu vtedajšie pozorovania odporovali. Aristotelove názory ovplyvnili astronómiu takmer na dve tisícročia.
Aristotelov svetový systém s jednoduchými kruhovými dráhami planét okolo Zeme nebol schopný vysvetliť pozorované pohyby planét na oblohe. Herakleides z Pontu (asi 388-315 pred n. l.) sa preto usiloval utvoriť takú svetovú sústavu, ktorá by bola v lepšom súlade s pozorovaniami. Jeho sústava sa odlišuje od Aristotelovej najmä tým, že v nej Merkúr a Venuša obiehajú okolo Slnka a spolu s ním aj okolo Zeme. Vyslovil tézu o rotácii Zeme. Aristarchos zo Samosu (320-250 pred n. l.), jeden z najvýznamnejších astronómov antického sveta, vyslovil prvý heliocentrickú predstavu, že Zem sa pohybuje okolo nehybného Slnka (po gr. Helios). Často sa preto nazýva Kopernikom staroveku. Aristarchos určil meraniami pomerné rozmery a vzájomné vzdialenosti Slnka, Mesiaca a Zeme. Dokázal, že Slnko je 19-násobne vzdialenejšie než Mesiac, a teda aj oveľa väčšie. Slnko je podľa jeho meraní 6,75-násobne väčšie ako Zem, Mesiac 2,8-násobne menší ako Zem. Aristarchove heliocentrické predstavy sa však neujali; bol to jeden z negatívnych dôsledkov Aristotelovej veľkej autority. Predstavy vtedajších astronómov uviedol vo svojom spise Psammit (Pieskový počet) grécky matematik, fyzik a astronóm Archimedes (287-212 pred n. l.) zo Syrakúz takto: "Pod slovom svet väčšina astronómov rozumeli guľu, ktorej stred je totožný so stredom Zeme a ktorej polomer sa rovná vzdialenosti Slnka a Zeme."
Po rozpade ríše Alexandra Veľkého na menšie štáty v druhej polovici 4. storočia pred n. l. rozvinutá grécka astronómia pokračovala v Alexandrii, hlavnom meste helénskeho Egypta. Začiatkom 3. storočia pred n. l. bolo v Alexandrii založené vedecké stredisko Musseion s bohatou knižnicou (koncom svojej existencie mala knižnica 700 000 zväzkov). Stredisko bolo v činnosti až do konca 4. storočia n. l. Pôsobilo v ňom veľa vynikajúcich vedcov.
Podrobný výklad geocentrickej svetovej sústavy podal Klaudios Ptolemaios.Ptolemaios prijal vo svojom diele Aristotelov názor o výsadnom postavení Zeme vo vesmíre, ako aj Hipparchovu predstavu o pohybe planét po epicykloch. Základné tvrdenia Ptolemaiovej geocentrickej svetovej sústavy: 1. Zem je guľa; 2. Zem je v strede nebeskej sféry; 3. Zem nevykonáva nijaký postupný pohyb; 4. všetky nebeské telesá sa pohybujú tak, že ich pozorovaný pohyb možno vysvetliť radom kruhových pohybov; 5. planéty sa pohybujú po epicykloch, ktorých stredy obiehajú okolo Zeme po väčších kružniciach - deferentoch; 6. stredy obežných epicyklov Merkúra a Venuše sa pohybujú vždy v smere Slnka, pričom obehnú okolo Zeme po deferentoch za rovnaký čas ako Slnko; 7. Mars, Jupiter a Saturn vykonajú obeh po svojich epicykloch práve za jeden rok, pričom ich poloha na epicykle je orientovaná vždy tým istým smerom vzhľadom na stred epicyklu, ako je orientovaný smer Slnka od Zeme; 8. dráha Slnka a Mesiaca je vzhľadom na stred Zeme položená excentricky.
Na vysvetlenie všetkých pozorovaných nepravidelností v pohybe planét musel Ptolemaios zaviesť vo svojom systéme až 40 epicyklov (neskôr sa ich počet ešte zvýšil). Tabuľky polôh planét zostavené podľa Ptolemaiovho systému pomerne dobre zodpovedali pozorovaným polohám planét. Ptolemaios pritom nepoznal vzdialenosti planét, ba ani vzájomné vzťahy týchto vzdialeností. Na základe pozorovaní však mohol metódou postupných priblížení odvodiť pomer medzi polomerom epicyklu a deferentu pre jednotlivé planéty.S malými úpravami a spresneniami epicyklov pretrvala Ptolemaiova geocentrická sústava až do 16. storočia.
