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早在公元2世纪，地心说已经在西方形成自身的体系，该学说认为地球处于宇宙中心，而人类住在一个半球型的世界中。地心说受到天主教会的强烈支持，是当时社会上的主流共识。地心说认为，宇宙是一个有限的球体，分为天和地两层，以地球为中心，日月星辰均围绕着地球运行，最终物体总是落向地面。在地球之外一共有9个等距的天层，由里到外依次排列着月球天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原动力天，除此之外的空间则空无一物，不存在其他的天体。是上帝推动了恒星天层，才依次带动其他所有天层的运动，人类所居住的地球，则静静地屹立在宇宙中心。后来通过天文观测，人们发现了行星的逆行现象（即在某些时候，从地球上看，一些行星会往反方向运动），为了解释这种现象，有人又提出了本轮的理论，宣称这些行星体除了绕地球运动以外，还会沿着一些小本轮围绕自身的中心不停地运转。
反对地心说的代表人物是天文学家哥白尼。1473年，哥白尼出生于波兰的一个富裕家庭。哥白尼18岁时就读于克拉科夫大学，学习医学期间，他对天文学产生了兴趣。1496年，哥白尼来到意大利，在博洛尼亚大学和帕尔多瓦大学攻读法律、医学和神学。博洛尼亚大学的天文学家德·诺瓦拉对哥白尼影响极大。在他那里，哥白尼学到了天文观测技术及古希腊天文理论。之后大部分时间里，哥白尼是大教堂的一名教士，同时进行一些天文观测和研究。1512年，哥白尼定居在弗龙堡，弗龙堡城墙中的平台成为哥白尼的天文观测台，他自制了三分仪、三角仪、等高仪等器具。这座建筑被称为“哥白尼塔”，一直保留到今天。
哥白尼一直追求一个和谐的宇宙。1530年，他提出了十分著名的“日心说”，认为明亮的太阳理所当然是宇宙的中心，而地球则有月球在其近旁为它服务。哥白尼的成名巨著《天体运行论》是在业余时间完成的。全书共分为6卷，在第1卷里，哥白尼讲述了地球的运动和宇宙的构造，驳斥了托勒密的地球是宇宙中心的理论；在后5卷里，他用精密的观测记录和严格的数学论证，阐明第1卷的主张。哥白尼的这个学说震动了教会，所以他晚年受到了严重的迫害。1543年，哥白尼70岁，在他去世前一个月，《天体运行论》正式发行。他在书中认为太阳屹立在宇宙的中心，行星围绕着太阳运行；离太阳最近的是水星，其次是金星，再次是地球，月亮绕着地球运行，是地球的卫星；比地球离太阳远的行星，依次是火星、木星和土星，行星离太阳越远，运行的轨道就越大，周期就越长；在行星的轨道外面，是布满恒星的恒星天（图1）。在哥白尼去世百年后，一位伟大的物理学家在英国的乡下诞生，他就是经典物理学的奠基人牛顿先生。在哥白尼去世21年以后，意大利也有一位伟大的物理学家诞生，那就是天文望远镜之父伽利略。
伽利略出生于1564年。早在1597年，伽利略便收到了开普勒的《神秘的宇宙》一书，开始相信日心学说。1604年，天空中出现超新星，伽利略也开始宣传日心学说。1609年，伽利略发明了光学天文望远镜。1610年，他通过世界上第一台天文光学望远镜进行观测，获得了一系列新发现。伽利略通过对天体的观测，发现金星有盈亏，星面的大小有变化；发现月球与其他行星所发的光都来自对阳光的反射；发现木星本身就有4颗卫星等等。金星的盈亏与星面大小变化的事实直接说明地球处在金星活动范围的外层，而金星是围绕太阳转动的（图2）。由于金星的光来自太阳，所以当金星正好处在太阳和地球之间时，将看不到金星的光亮。当金星的位置移出这根连线时，金星的表面才逐渐地显露出来。当金星的位置处在地球太阳连线的另一侧时，就会形成满月的形状。至于木星存在卫星的说法，这是当时的教会决不能容忍的。天主教会认为天体只能够围绕地球转动，而不可能围绕着木星来转动。至2018年，天文观测已经确认了木星一共有79颗卫星，其中有四颗直径最大（图3）。这些非常重要的天文观测事实有力地证实了哥白尼日心论的学说。同年，伽利略出版了《星空信使》一书，公开支持日心学说。1612年，伽利略发现了太阳黑子及其运动，证实太阳本身存在自转。
图1 哥白尼的日心说认为太阳是宇宙的中心
图2 金星的盈亏和日心说的关系
图3 木星和它的四个卫星
1616年罗马教皇发布禁令，不允许伽利略宣扬日心学说。1632年，伽利略发表《关于两大世界体系的对话》一书。之后他受到了教会的公开迫害，被软禁在家。1637年，伽利略双目失明，直到1642年78岁时去世。
伽利略不仅仅是一位天文学家，同时也是一位力学专家。他在自由落体运动和惯性定律方面的研究，为牛顿所确立的万有引力理论体系奠定了重要基础。
日心说理论的最后胜利要归功于开普勒行星运动定律的建立。1600年，27岁的开普勒应邀担任当时十分有名的观测天文学家第谷的助手。第谷本人既不同意地心说，也不同意哥白尼的日心说理论，他发展了他自己的基本仍然是地心说的所谓第三种理论。1601年第谷去世，给开普勒留下了在当时最为精确的天文观测资料。
从第谷的这些实测资料出发，开普勒开始研究行星的运动规律。那时候，大家都认为行星按正圆形轨道绕恒星运行，天文学家的任务是利用观测数据来确认各种行星的轨道，而不是对行星的位置进行预测。
开普勒对观测资料进行了很长时间的计算和研究，在1609年，他发现了问题的所在——原来行星并不是在圆形轨道上运行的，而是在一个个椭圆形轨道上运行的，太阳就处在椭圆的一个焦点上。后来他又解决了行星在椭圆轨道上的运动公式。当年开普勒发表了著名的行星运动的第一和第二定律（图4）。其中第二定律指出，在相同的时间内，行星和恒星的连线在椭圆面上扫过相同的面积。
图4 开普勒行星运动的第二定律
十年以后，开普勒发表了轨道周期的平方和半长径立方成正比的重要关系，这就是行星运动的第三定律。这三个行星运动定律为牛顿万有引力定律的出现打下了坚实的理论基础。
牛顿是经典引力理论的开创者。在开普勒工作成果的基础上，牛顿借助于微积分工具，发展了经典力学的万有引力理论。这一理论在1687年于《自然哲学的数学原理》一书中首次发表。牛顿的最大贡献是将地球上苹果落地的原理和天上行星运动的原理统一了起来，这是理论物理学上的第一次大统一。在牛顿理论中，引力是在两个物体之间瞬间产生的超距作用力。至于两个物体如何在一定距离上不需要任何介质就可以互相吸引、这种吸引为什么不需要任何时间来传递作用力，所有这些问题牛顿自己最终也没有搞清楚。引力及引力波的现代理论的发展主要是200多年以后由爱因斯坦推进的。顺带一提，在爱因斯坦以前，拉普拉斯在1776年曾经用不均匀的引力作用来解释月球所在的绕地球公转的轨道的振荡现象。