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古希腊天文学可分为四个阶段，形成了四个学派：爱奥尼亚学派（前7世纪～前5世纪）、毕达哥拉斯学派（前6世纪～前4世纪）、柏拉图和亚里士多德学派（前5世纪～前3世纪）、亚历山大里亚学派（前3世纪～2世纪）。从毕达哥拉斯开始，属古代天文学第二阶段——用非常识解释常识，主要探讨太阳与地球的位置关系。
太阳同地球的关系如何？从逻辑上讲不外这几种可能：太阳围绕地球旋转，地球围绕太阳旋转，太阳与地球都围绕另外的某个天体旋转。这三种可能古希腊人都想到了。由于人类生活在地球上，在这三种可能中最容易被人想到的，就是太阳围绕地球旋转。所以古代的中国人、埃及人、印度人都有地心说的思想，古希腊早期的哲学家几乎都是地心说者。地心说同人们观察到的太阳东升西落的常识与日出而作、日落而息的生活规律一致。公元前5世纪古希腊的毕达哥拉斯学派第一次超越了常识与直观的局限，用思辨的观点提出了中心火学说。
早在柏拉图、亚里士多德学院之前，古希腊有个颇具神秘色彩的学派，其领袖就是毕达哥拉斯（约前571～前497）。这个学派系统地研究了数学，提出了数是万物本原的思想。他们是最早的一批科学-美学家。他们认为宇宙的和谐是由数决定的。美是和谐与比例，而和谐是杂多的统一，是不协调因素的协调。美与和谐既是他们所追求的目标，也是他们建立理论的原则。他们发现了正四面体、正六面体、正八面体和正二十面体，认为它们分别代表火、土、气、水四种元素。后来他们又发现了正十二面体，于是就认为这第五种正多面体代表第五种物质——以太。从此以太就像幽灵一样登上了科学史的舞台，它在不同的时期扮演了不同的角色。
毕达哥拉斯认为，月光是阳光的反射，月面明暗交界处有圆弧形，表明月亮为球形，并由此推想其他天体也都是球形。他注意到月食时大地投射到月球上的影子也是圆形的，所以他可能是第一个明确指出地球是球形的人。他对此的解释是：圆形、球形是最完美的几何图形，所以天体都必然是球体，并在正圆轨道上运转。毕达哥拉斯学派认为天体按贵贱分为三部分：最上一层是奥林波斯，是诸神居住的地方；中间是考的摩斯；第三层是乌兰诺斯，是地球区域。贱的天体转得快，贵的天体转得慢。地球是最不完善的地区，它的变化是没有秩序的。各天体与地球的距离符合音乐规律，从而奏出了优美的天体音乐。
毕达哥拉斯的学说很少有文字记载，他只是在自己的学生中讲解自己的思想。这个学派规定：学派的一切成果都不能私自泄露，否则就要受到严厉的惩罚。相传毕达哥拉斯的一个弟子希伯斯发现了无理数并传了出去，就被扔进了大海。所以我们今天很难具体指出这个学派的哪些成果属于毕达哥拉斯本人，哪些成果属于他的学生。
菲洛劳斯（约前450～前400）是毕达哥拉斯学派的一个成员，他大约受了古希腊哲学家赫拉克利特关于火是世界本原的思想的影响，认为火是最高贵的元素，只有永恒的火才有资格占据宇宙中心的位置。他以这个观点为基础，提出了中心火学说，认为宇宙的中心是一团熊熊燃烧的烈火。毕达哥拉斯学派把中心火称为“众神之母”、“宇宙之炉”。地球、月亮、水星、金星、太阳、火星、木星和土星这八个天体从西往东围绕中心火旋转，最外层是不动的满天恒星的火焰球。毕达哥拉斯学派认为“十”是最完美的数字，宇宙应当是十全十美的。为了使中心火周围能有十个天体，他们又大胆设想了“对地”或“反地球”的存在。中国羿射十日的神话也从十进制观念出发，认为天上有十个太阳，二者具有异曲同工之妙。我们之所以看不到中心火，是因为地球在旋转时总是以相同的一面对着中心火，而我们居住在地球的另一面。地球与“对地”始终处于中心火的两侧，所以我们也看不到“对地”。毕达哥拉斯学派的有些成员甚至认为太阳本身不发光。埃梯乌斯认为太阳是一面凹面镜，聚集了中心火发出的光，而阿恰莱斯认为太阳是一面凸面镜，集中了火焰球所发出的光。这样，宇宙的中心与外围都是火，宇宙实质上是火的世界。
这个理论在形式上看起来很美，但毕达哥拉斯学派认识到美中还有不足。地球旋转而恒星不动，那地球运转一段时间以后，恒星之间的视位置应有所改变，可是当时并未观察到这个现象。如果认为宇宙无限，就可以解释为什么没有看到视差。但他们认为各天体（包括恒星）同中心火的距离服从音阶之间音程的比例，即认为宇宙是有限的。为了解决这个矛盾，希色达与埃克方杜斯提出地球处于宇宙的中心，每日自转一周，试图以此来回避视差问题的困难，从而又回到了地心说。这种观点的出现表明中心火学说不能正确说明日地关系，不能解决恒星视差的难题，因而缺乏生命力，必然要被地心说所淘汰。但它对后来的日心说则起了某种启发作用。如果人们一定要在可见天体中寻找这团中心火的话，就会自然想到太阳。可是在当时，中心火学说的失败反而助长了地心说的流传，于是亚里士多德的地心体系就应运而生了。