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从柏拉图、欧多克斯、卡利普斯到亚里士多德，古希腊的天球层体系完成了，对天文学的发展作出了重要贡献。显然，恒星视差的难题在亚里士多德的天球层模型中已不构成什么威胁，这是它胜过中心火学说之处。但它受到来自另一方面的挑战。首先，它要求各天体同地球的距离不变，而金星、火星的亮度却时常变化，说明它们同地球的距离是在变的。日食有全食，也有环食，说明日、月同地球的距离也在变化。其次，它不能说明行星的不规则视运动。再次，它不能解释从春分到秋分，同从秋分到春分的长度不相等。在这些矛盾面前，柏拉图派的赫拉克利德（前388～前315）就用地球的自转来解释天体的视运动，并从水星与金星总出现在太阳附近这个现象，提出水星与金星绕太阳运动，又同太阳一起绕地球运动。赫拉克利德的模型基本上是地心说，但已包含了向日心说转变的基因。
亚历山大里亚时期的天文学家阿里斯塔克（前310～前230）被恩格斯称为“古代的哥白尼”。他留下的唯一著作是《论日月的大小和距离》，其余的著作均已失传。我们现在主要是通过阿基米德的著作才了解到阿里斯塔克的思想的。
阿基米德在《沙粒的计算》一文中说，阿里斯塔克主张“行星与地球沿以太阳为中心的圆周绕太阳运动，而恒星所在的天球的中心与太阳的中心相重合”
。阿基米德在给叙拉古王希罗的信中也叙述了阿里斯塔克的思想。
阿里斯塔克用几何方法推算出日、月离地球距离之比和日、月、地球体积之比。他在《论日月的大小和距离》一文中写道：“命题7．地球到太阳的距离大于地球到月球距离的18倍，但小于其20倍。”“太阳与地球的体积之比大于6859比27，但小于79507比216。”
他提出日心说的理由是：既然太阳是宇宙中最大的一个天体，那么宇宙的中心就只能是太阳。
他猜想宇宙是很大的，他说恒星天到地球的距离比太阳到地球的距离要大得多。地球围绕太阳旋转的轨道，比起恒星天来说，只是一个小小的点。我们之所以未能观测到恒星视差，是因为恒星距地球太远。显然，他的视野比亚里士多德更开阔了。
阿里斯塔克的基本观点无疑是正确的，但是他的学说却未被当时的人所普遍接受，以至于他的著作大都失传了。为什么会出现这种情况呢？也许是因为他触犯了上帝的权威，被人认为是犯了亵渎神灵的罪；也许是因为他的观点同人们的感觉不一致，不能解释我们每天所看到的太阳东升西落的现象；也许是因为他缺少细节，没有编出一个准确的星表；也许是因为他没有资历、威望，敌不过赫赫有名的柏拉图、亚里士多德。总之，太阳中心说在阿里斯塔克那里，只能是一种天才的猜测、智慧的火花，只能是一株弱小的幼苗。它未能长成参天大树，但在科学的土壤中播下了一颗真理的种子。
历史发展到这一步，日地关系的各种可能都有人试探过、论述到了。地心说振振有词，论据充分，颇能自圆其说。菲洛劳斯设想了看不见的中心说与反地球，想象力有余，说服力不足。阿里斯塔克的理论不失为一种创见，但要接受他的理论，首先就要怀疑我们的眼睛。各种学说都在竞争着，历史将选择谁作为宠儿呢？历史选中了托勒密。
希腊人把阿里斯塔克学说撇在一旁，继续发展他们的地心说。对阿里斯塔克学说进行批评并把地心说提高到一个新阶段的，是托勒密。托勒密（约90～168）著有13卷《至大论》和38卷《地理学》，此外还写过占星术和光学方面的著作。
他认为研究天文学的方法是“算术和几何学的无可争辩的方法”，即用算术与几何学的方法来概括观测资料。他说：“我们希望从古人和我们自己的观测中找到明显而确切的形象，并把几何论证的方法应用到这些概念的结论上去。”
托勒密强调几何学的方法，这说明他的天文学还属于天体几何学的范围。天体几何学是天文学发展的初期阶段，它的主要任务是描述天体的几何位置、距离和运行轨道的几何图形，至于运行的原因则是思辨哲学所要回答的问题。天体几何学是天文观测、几何方法和思辨哲学的混合物。托勒密同毕达哥拉斯、亚里士多德相比，思辨的成分要少些，但仍未超出那个阶段。
他认为在解释自然现象时，主要是寻找一种假说，它要尽可能简单明了，而又要能说明各种事实。他的地心说是作为一种假说提出来的，他认为这种假说既简单又能说明当时观测到的各种天文现象。无论是研究天文学还是研究地理学，他都认为应当从准确的资料出发，即要从事实出发。托勒密也是一位尊重事实的人，就这点而言，他同别的著名科学家没有本质的区别。所以，尽管他提出了错误的地心体系，但他仍然是一位科学家。
托勒密理论的基本概念来自阿波罗尼和希帕恰斯。阿波罗尼为了解释天体同地球之间距离的变化，提出了本轮、均轮的概念。希帕恰斯大体上确定了本轮与均轮的大小，并为了解释春分到秋分同秋分到春分长度的不相等，提出了偏心圆的概念。托勒密认为地球在世界的中央，所有的重物都朝着它运动。就这点来说，他继承了亚里士多德的思想，但他也懂得，如果再一味地坚持亚里士多德的天球层体系，就不可能坚持和发展地心说。于是他就从阿波罗尼与希帕恰斯那里吸取了新的思想，用圆周体系来代替天球层体系，克服了亚里士多德体系所无法解决的一些困难。
托勒密主张地球静止不动，并对阿里斯塔克的地动说提出了批评。他指出，我们每天都可以看到太阳从东方升起，在西方落下。物体在做自由落体运动时，总是垂直下落的，这说明地球没有运动，否则在地球上的人看来，物体就会斜着下落了。如果地球从西向东运动，那么天上的浮云、飞鸟就会沿着一个统一的方向从东向西运动，就不可能自由地飘浮、飞翔了。如果地球从西向东运动，我们就会感到东风不断吹来，可是我们并没有看到这些现象。如果地球在不停地转动，地球上的所有物体就会向外飞散，最后整个地球就有崩溃的危险。“仅仅想到这点，也会使人觉得可笑。”如果地球在运动，我们就应当能测出恒星视差，但是我们却没有测到它。他认为这些都说明地球是静止不动的。他在《天文学大全》中说：“我们宣布天层是球形的，并且在旋转；地球也是球形的，并且位于诸天的中心，像一个几何中心一样；与恒星的大小和距离相比，地球可以看成是一个点，本身不具有任何位置运动。”
托勒密的理论能对行星视运动的不规则性，提出一种相当有说服力的解释。他指出，行星在小圆圈——本轮上旋转，本轮的中心（这是一个看不见的、没有实物存在的数学点）围绕地球做圆周运动，其轨道为大圆圈——均轮。地球并不处于地球的正中心位置上，而是离中心点有一段距离，所以均轮是一个偏心圆。这样，行星既在本轮上做圆周运动，又跟随本轮中心在均轮上做圆周运动，所以从地球上看，行星的运动就不规则了。亚里士多德的天球层组合是同心的组合，而托勒密本轮、均轮体系的组合是异心的组合，所以后者比前者有更大的灵活性，从而使地心说具有更强的生命力。这是柏拉图的匀速旋转与正圆轨道原则的成功应用。
托勒密注重天体的观测，认为天文学理论应当同天文观测相符。他为了做到半定量分析，尽量使自己的模型同观测结果相符，就不断增加圆圈的数目。当然，圆圈多了，就意味着理论复杂化了，托勒密本人似乎也觉察到了这个缺点。他有些自慰地说：“看起来，推动这些行星本身运行，似比了解它们的复杂的运动还容易些。”
“如果要考虑在天体运动中所观察到的不规则性，而这些不规则性却能以正常的圆周运动来加以解释时，就不会奇怪我们所引用的许多圆圈了。”
这样一来，尽管体系显得有点复杂，但却能比较准确地预测天体的运动。这在托勒密的时代，不能不说是一个成功。
托勒密为了使他的体系同观测一致，还提出了对称点的概念。1500年以后，当德国的开普勒在天文学界大显身手的时候，人们才发现，开普勒所说的椭圆轨道上的两个焦点，同托勒密所说的偏心圆的圆心及其对称点颇有暗合之处。
在从菲洛劳斯到托勒密的天文学中，“中心火”、“对地”、“自然位置”、“自然运动”、“本轮”、“均轮”、“对称点”都是专业名词，表明这个阶段的天文学是用非常识来解释常识的。
托勒密体系的基本观点是错误的，但为什么他的体系能在天文学界流行将近15个世纪，而基本观点比他要正确的阿里斯塔克的日心说却几乎失传了呢？这当然有社会政治方面的原因。教会起初反对托勒密体系，因为托勒密认为地球是球形的；后来教会发现地心说对它们有用，又转而支持托勒密体系。但是，一种自然科学的理论，如果没有一点认识上的根据，而单靠社会政治方面的原因，是不会流传那么广、那么久的。
托勒密体系的出现不是偶然的，有其认识上的原因。首先，人生活在地球上，在天文学发展的早期，人类只能立足于地球来观察天体的位置和运动。当人类的活动范围还很狭窄时，人们总以为自己所居住与活动的区域，就是世界的中心。在古希腊人所绘制的世界地图上，雅典处于中心位置；而在阿拉伯人绘制的地图上，处在中心位置上的则是耶路撒冷。所以在古人看来，地球是宇宙的中心这是不言而喻的事。其次，在观察一个物体运动时，人们一开始总是倾向于把观察者自身看作是不动的，这样要比设想观察者在运动容易被人接受。另外，在亚里士多德、托勒密时代，人们对天体的大小、重量没有清楚的认识，有人甚至认为天空是由没有重量的物质构成的，所以容易转动；但是人们对地球之大却有切身的感性认识，所以他们难以想象如此庞大的地球会围绕某个物体在旋转。正如巴特菲尔德在《近代科学的起源》中所说：“我们现在可以说推动地球绕轴转动所费的力气要比使整个宇宙用二十四小时绕地球旋转一周所费的力气要少些；但是在亚里士多德的物理学中则需要某种异常巨大的东西来移动沉重的、停滞的地球，而整个天空是由稀疏的物质构成的，这种物质被认为没有重量，比较容易转动，因为转动符合于它们的本性。”
当时人们还认为上与下是绝对的，没有引力的概念，只是直观地认为所有物体都会下落，如果地球不处于宇宙的中心位置，那地球会下落到什么地方去呢？这对古人来说显然是个难以回答的问题，而假设地球处于宇宙的中心，就排除了这个难题。最后，托勒密的体系同人们每天看到的太阳东升西落的感觉一致，那时人们还难以接受一种同视感觉不一致的宇宙体系。
托勒密地心体系对天文学研究方法的发展，也有一定的积极意义。要研究天体的运动，首先要有一个参考系，要建立某种几何学模型，托勒密正是在这条道路上迈出了重要的一步。直到现在，人们在具体观测天象时，还要假想有一个天球，设想我们地球人类就是在这个天球的中心位置上来观察天象的，这样就可以用坐标的方法来表示天体的方位和视运动。
没有探索，就没有科学。既然是探索，就要尽可能想到各种可能性，就要允许科学家们向着不同的方向、沿着各种不同的道路去探索。后来发现这条道路不通向成功，但却不能因此否认当初沿这条道路探索的必要性。科学发展不是一蹴而就的，只有通过反复的挫折、失败，才能逐步逼近胜利。爱因斯坦说得好：在科学上，每一条道路都应该走一走，即使发现一条走不通的道路，也是对科学的一大贡献。仅就这个意义而言，托勒密也是一位重要的天文学家。
托勒密体系是天文学发展的一个必经阶段。如果火星上有人，翻开火星人的早期天文学史，也必然会出现并流行着火星中心说。托勒密学说同人们的直观感觉是一致的，同当时的天文学发展水平是一致的，同人类当时的认识水平也是一致的。
长期以来，在一些科学史专家的眼里，托勒密成了谬误的化身，似乎他的出现除了为哥白尼提供批判的靶子以外，就完全是一种历史的误会。比如威尔逊在《科学家奋斗史话》中说：托勒密在天文学领域里捣了一阵乱以后，就走进了坟墓。这种看法是不能令人同意的。还是拉普拉斯说得对：“托勒密毕竟是一位渊博的学者，科学史上首屈一指的人物。……托勒密的声誉与亚里士多德和笛卡儿的声誉得到相同的遭遇，在他们所犯的错误为人认识以前和以后，一般人由盲目崇拜，而转为不适当的轻蔑，原来，即使在科学里，最有益的革命亦不能免掉情感和不公正的批评。”
19世纪法国天文科普作家弗拉马利翁评论托勒密等人的一段话更发人深思：“他们的工作只不过是很不完善的宇宙体系的一个开端。但是，在科学的黎明时期，这体系能够一下子就完善吗？我们应该惊异的，倒是他们的体系在以后传授了十几个世纪而没有人敢作出重要的修改，多少代的教授们和学生们都恭顺地接受了。”