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心脏是一团非常强壮的肌肉。
——希波克拉底，公元前5世纪
公元前700年左右，古希腊人开始行医。 (1) 在此之前，受古埃及人理论的影响，他们认为疾病是神的天罚。克罗顿的阿尔科迈翁（公元前600年）是毕达哥拉斯的学生，是希腊最早的医学作家之一。他可能是第一个对活人和死人展开解剖学研究的希腊人。阿尔科迈翁根据自己的实验观察，认为大脑是心理和思想在人体中的位置，是感觉之所在。
和阿尔科迈翁一样，大多数古希腊人都是大脑中心论者（亚里士多德是一个主要例外）。例如，一个人可能被打晕（头部的精神会受影响），而身体仍然活着（心脏中的血气维持着身体机能）。这让许多古希腊作家误认为，血管的起点是头部而不是心脏。这些血管将元气（pneuma）带到身体其他部位，包括心脏。
古希腊医生认为心脏是个火炉。心脏停止跳动之后，身体不是会变凉吗？心脏由来自大脑的元气和血液提供燃料，由呼吸扇动，产生身体的热量。
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希波克拉底常被称为医学之父。医生从医学院毕业时，要宣读希波克拉底誓言，承诺“不伤害他人”。希波克拉底创办了一所医学院，他是第一个提出疾病乃自然现象而非天罚的医生。他将医学确立为一门有别于宗教和哲学的专业学科。
《希波克拉底文集》是由大约六十篇古希腊论文组成的合集（公元前5世纪—公元2世纪），与希波克拉底及其学说有关。《文集》中有一篇《论心脏》，首次记录了心脏在解剖学方面的细节。根据希波克拉底的学说，心脏近似锥体，呈深红色，由一层光滑的膜囊包裹，也就是今天所说的心包。心包由液体润滑，这种液体也能帮助吸收心脏的热量（也就是心包液，想想发动机油或刹车油）。
希波克拉底说，如果把心脏的“双耳”（心房）拿掉，腔室（心室）的微孔就会暴露出来。耳朵的工作原理与铁匠的风箱相同。随着耳朵的舒张和收缩，空气被吸入和排出。心脏的“耳朵”具备这一功能，这一点可以从以下事实看出：心脏搏动时，“耳朵”会随腔室的膨胀与收缩而单独运动（心房随心室的扩张而收缩），这就是所谓的心房心室同步。《论心脏》还指出，心脏瓣膜让血液只朝一个方向流动。希波克拉底将心脏瓣膜称为“大自然的杰作”。
《希波克拉底文集》中还有关于如何诊断心力衰竭的最早描述之一。书中这样描述检查心脏衰竭和肺部积水的过程：“把耳朵贴在胸口听一段时间，可以听到里面类似醋的沸腾声。”希波克拉底可能还是描述心源性猝死的第一人，他说：“无明显原因经常严重昏厥的人，会突然死亡。”这种死亡是心脏功能丧失所致，通常是由危险的心律失常引起的。它是导致美国人自然死亡的第一大原因。
基于阿尔科迈翁的研究，希波克拉底认为，智慧的所在地是大脑而不是心脏。然而，亚里士多德赢得了这场争论，大多数西方文明都认为心脏是人体内灵魂的所在，直到现代。
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亚里士多德是第一个详细描述心脏腔室的古希腊人，不过他观察到的是三个而不是四个。他认为右边腔室（可能是右心室）血液最多，温度最高。 (2) 左边腔室（可能是左心房）血液最少，温度最低。中间腔室（可能是左心室）血液最纯，最稀，血量居中。亚里士多德认为右心房不是心腔，而是一条进入心脏的充血静脉。
我们现在知道，这些看法是不对的。亚里士多德为解剖而杀死动物的做法，可以解释他观察到的每个心脏腔室的血量差异。他一般会先勒死动物，这导致静脉与心脏右侧充满深色血液，而左侧的血液则被排干了。
亚里士多德认为心脏是血管系统的中心，这一看法是正确的。他在《论动物的组成》中写道：“血管系统就像菜园中修筑的水渠，始于同一个源头（心脏），衍生出众多的分支，将水输送到菜园的每一块土地。”亚里士多德认为，大脑就像散热器，可以冷却炽热的心脏。他认为，相比简单的动物，例如昆虫，更复杂、更有理性的动物会产生更多热量。因此，人类需要硕大的大脑来冷却他们炽热又充满激情的心脏。
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从公元前4世纪到公元7世纪，埃及的亚历山大城是希腊的文化中心。公元前331年，亚历山大大帝建立了这座城市，后来由托勒密家族统治，而托勒密是亚历山大的部将。早在公元前3世纪，医生就开始在亚历山大城做人体解剖。这里甚至允许活体解剖，也就是在人们还活着的时候对他们做可怕的解剖处理。这通常是对罪犯的惩罚。亚历山大城融合了埃及文化与希腊文化，埃及人在防腐操作中也需要剖开身体，取出器官，所以人体解剖的做法在这里是可以接受的。
卡尔西登的希罗菲卢斯（公元前335—前250年）和喀俄斯岛的埃拉西斯特拉图斯（约公元前330—前250年），是两位在亚历山大城执业的著名医生。他们首先将希波克拉底称为“医学之父”。罗马医生奥卢斯·科尼利厄斯·塞尔苏斯（公元前25—公元50年）在他写于公元1世纪的医学专著《论医学》中，这样提到希罗菲卢斯和埃拉西斯特拉图斯：
此外，由于疼痛和各种疾病都发生于身体更内部的器官，他们认为，如果对这些器官一无所知，就无法给出治疗方法。因此，有必要剖开死者的身体，仔细检查其内脏和肠道。他们认为，到目前为止，希罗菲卢斯的做法最好。国王把监狱的罪犯交给他们，他们把还没死亡、仍有呼吸的罪犯开膛破肚，观察大自然预先隐藏起的部分。 (3)
希罗菲卢斯被誉为解剖学和生理学之父，他认为，为了医学研究，人们需要通过人体解剖来了解人体。希罗菲卢斯是最早开始公开解剖的人之一。他由此发现了神经系统，进而认定思维器官是大脑而不是心脏。他是大脑中心论者。
希罗菲卢斯也是区分动脉和静脉的第一人。他注意到，尸体的静脉排干血液后就会塌陷，但动脉却能保持柔韧。然而，希罗菲卢斯错误地认为，动脉扩张会从心脏吸入元气，而动脉收缩会推动元气和一些血液向前流动，从而产生脉搏。埃拉西斯特拉图斯是希罗菲卢斯的弟子兼合作者，他的看法和循环论非常接近。他推测，动脉与静脉之间一定存在连接点，但它太小了，所以人们看不到。这比威廉·哈维发现血液循环早了1800年。
埃拉西斯特拉图斯还认为，人体的指挥器官是大脑而不是心脏，这与亚里士多德不同。他最先提出心脏并非灵魂的所在，而仅仅是一个负责加热身体的器官。
埃拉西斯特拉图斯在叙利亚国王塞琉古（公元前358—前281年）的宫廷里住过一段时间。国王的儿子安条克病了，日益消瘦。埃拉西斯特拉图斯为王子做了检查，没有发现任何问题。但有一天他注意到，当王子的继母斯特拉托尼丝走近时，王子的脉搏开始加快，皮肤也开始发烫。埃拉西斯特拉图斯把诊断结果告知国王，这位70岁的国王与妻子分居，并让她和安条克成婚，王子的“心病”从此便治愈了。
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希腊人将解剖学确立为研究心脏和身体运作的合法方式。罗马帝国崛起后，这些解剖学研究并未中断，尽管多数是由移居到那里的希腊人完成的。最著名者当数盖伦，公元2世纪，他在《论人体各部分的作用》中写道：“心脏是一块硬肉，不易受伤……论硬度、张力、总体力量与抗损伤性，心脏的纤维远超其他所有器官。因为没有哪个器官能像心脏那样持续且有力地运动。” (4) 但问题依然存在：容纳情感、记忆和思想的，是头脑还是心脏？
古罗马人认为，心脏支撑着生命，寄托着人的爱。罗马作家奥维德（公元前43—约公元17年）写道：“纵使阿斯克勒庇俄斯亲自涂抹草药，也无法治愈心的伤口。”阿斯克勒庇俄斯是罗马的医神，他那根缠绕着蛇的手杖，今天被视为医学的象征。爱神维纳斯有儿子丘比特协助，用他的箭瞄准恋人的心。
古罗马人认为疾病是神的惩罚。 (5) 医生不受待见。与希腊医生不同，罗马医生被禁止解剖尸体，所以他们对心脏和身体的了解有限。
公元前30年左右，罗马人征服了亚历山大城，埃及统治者克利奥帕特拉和马克·安东尼自杀。罗马人开始了解希腊人的医学知识和解剖学研究，主要是希罗菲卢斯和埃拉西斯特拉图斯的著作。罗马人俘虏了医生，将他们带回罗马，先是充作战俘，后来放任不管，于是这些医生开始在罗马赚钱谋生。
罗马人很快开始接受希腊的医学和科学思想，但在心脏和血管系统的理论方面，他们几无进展，直到希腊人盖伦在公元162年移居罗马之后才有所改观。他提出的心脏和人体学说后来被天主教会奉为圭臬，使他成为3世纪至17世纪西方医学中最重要的人物（没错，长达1500年）。
盖伦曾在亚历山大城花了一段时间解剖动物和人类，成了一名解剖学专家。他获准解剖被绞死的罪犯。他也是角斗士们的医生，可以想见，面对奄奄一息的角斗士，盖伦能从其暴露的伤口中得到多么真实的解剖学知识。盖伦写道，角斗士的伤口是“身体之窗”。盖伦很快成为罗马的名人。他会在公众场合解剖或治疗病人，以换取金钱。由于他声誉渐长，皇帝马可·奥勒留选他做了御医。
盖伦批判性地阅读了先前的希腊医学著作。他通过实验来证明或反驳已有的关于心脏和血管的理论。他特别欣赏希罗菲卢斯和埃拉西斯特拉图斯的著作，但也喜欢给他们纠错。在《论身体各部分的作用》中，盖伦说：“心脏虽然看起来像肌肉，却明显与肌肉不同。因为肌肉的纤维只向一个方向发展……而心脏既有纵向纤维也有横向纤维，还有第三种斜向发展的纤维，以一定角度倾斜。” (6)
盖伦这一重要发现，如今是现代心脏科学研究的热点。大多数人都知道，心脏（左心室）以同心的方式舒张和收缩，将血液排到身体各处，这可以类比气球的膨胀和收缩。但心脏在收缩的同时也会扭曲，以最大限度地发挥泵的功能。就像一条湿毛巾，你必须拧，而不只是用手挤压，才能把多余的水弄出来。这些心肌纤维朝三个不同方向发展，充分发挥心脏的收缩功能，从侧面、顶部和底部挤压，并一起扭曲。
我们现在知道，盖伦的心脏理论有很多是错误的。他认为，两个心室之间的肌肉隔膜上有小孔，让血液在心室之间流通。他认为动脉携带元气（混有一些血液的空气，在人体内产生精气），这也是错误的。盖伦认为，在身体运作方面，心脏不如肝脏重要。他错误地认为，食物经消化后从肠道到达肝脏，然后转化为血液。他推断血管的源头是肝脏，而不是心脏。血液到达心脏后，被输送到身体各部位，然后转化为肉。
盖伦和他的前辈（如亚里士多德）一样，认为左心室的主要功能是为身体其他部分提供热量，他把左心室比作煤炉（心脏没有被比作泵，因为当时泵还不存在）。吸入的空气是用来冷却心脏的固有热量的。但是，关于心脏如何运作，盖伦的描述确实相当准确。他观察到冠状血管系统为心脏提供血液。通过亲手解剖动物，他还指出，不是所有动物的心室数量都一样，比如鱼类就只有一个心室。
在接受埃拉西斯特拉图斯关于动脉和“静脉树”（今称毛细血管）存在联系的理论之前，盖伦做了实验。他杀死动物，并切断它们的大动脉令其“大出血”，从而形成了空静脉和空动脉，以此证明了它们的联系。他还观察到，几乎所有动脉旁边都有静脉，所以它们很可能是相连的。可惜在探索血液循环系统的过程中，他没有依循逻辑更进一步。他继续相信普拉克撒哥拉斯传授给希罗菲卢斯和埃拉西斯特拉图斯的知识：动脉主要将元气（空气）输送到身体其他部位。
盖伦观察到，胎儿的血液从胎盘里母亲的血液中吸收空气，这些含有空气的血液绕过胎儿的右心和肺脏（在未出生的孩子身上还没开始发挥作用），通过心房之间的一个微孔直接进入左心，然后进入胎儿的动脉。他进一步观察到，胎儿出生后，这个孔会关闭，血液流动的路径会转换，先通过胎儿的右心和肺脏，然后到达左心。有人可能会好奇，盖伦究竟是如何发现这些现象的？这么一想，让人有些不寒而栗。
盖伦在《论受影响的部位》中写道：“支配身体的主要因素有三个。研究表明，心脏是主要器官，而大脑是身体各部位的感觉与运动的最重要来源，肝脏则控制着营养系统。死亡源于心脏的体液失衡，因为身体所有部位都随心脏一起恶化。” (7) 尽管盖伦非常崇拜亚里士多德，但他的理论还是建立在柏拉图的灵魂三分说之上。大脑开始接管心脏的部分功能，但不是全部。运动和感觉功能存在于大脑，而心脏仍然是代表情感的灵魂之所在。
通过人体实验，特别是心脏及其瓣膜，以及动脉和静脉树的实验，盖伦彻底改变了古人对解剖学和生理学的理解。但他的错误理论也延续了下来，其中包括：连接左右心室的心间隔有微孔；肝脏从食物中产生血液，是人体动脉的源头；心脏和血管的功能是将元气散布到全身；代表情感的灵魂位于心脏。盖伦的许多理论直到17世纪还在发挥影响，因为在公元476年罗马帝国灭亡后，大部分西方文明和医学知识陷入了黑暗时代。之后的1500年里，关于心脏和血管系统的科学理论几乎毫无进展。