在毕达哥拉斯学派中另一位伟大学者是德谟克利特，他提出了著名的原子学说。德谟克利特认为万物都是由原子组成的，原子是不可分割的最小微粒，它既不生也不灭，永远处在运动状态。太阳、月亮、地球以及一切天体都是由于原子涡动而产生的，这是朴素的天体演化的思想。德谟克利特甚至推测出太阳远比地球庞大；月亮本身并不发光，靠反射的太阳光才显得明亮；银河是众多恒星集合而成的。无疑，他的这些观点都是完全正确的。
但是，德谟克利特对宇宙结构的看法却是不正确的。他认为地球位于所有天体的正中间，所以不能向任何方向移动，而是安安稳稳的，总是处在相同的位置上恒定不动。
柏拉图学派
柏拉图学派是毕达哥拉斯学派之后的天文学的又一大学派，它是由雅典哲学家柏拉图创立的。柏拉图认为哲学是来自于天文学的，因为日夜、四季给我们时间的观念与探索宇宙特性的动力，正是这些来源引导着我们建立哲学的概念。
柏拉图提出以地球为中心的同心球壳结构的宇宙模式，他认为地球是宇宙的中心，其他各个天体处于不同的球壳上，这些球壳离地球由近到远，依次是：月亮、太阳、金星、水星、木星、土星、恒星。各同心圆之间由正多面体联结着。
用这种宇宙体系解释天象，自然会出现一些困难。太阳和恒星的运动是比较规则的，但行星的运动却十分可疑。就以火星为例，如果你在较长的一段日子里仔细注意火星的行踪，将会发现它在恒星之间缓慢地由西向东移动着，这叫“顺行”。过一段时间，它又停滞不前了，这叫“留”。然后，它扭转头来向西移动，这叫“逆行”。正是由于火星颜色发红，而且行踪诡秘，所以我国古代称它为“荧惑”。金星的行踪又是另一番景象，它在一段时间内以晨星的面目出现在东方天空，再过一段时间他又以昏星的面目出现在西方天空，总之，在人们的眼里，它总是徘徊在太阳的东西两侧。
为了解释行星的神秘行踪，柏拉图的门生欧多克斯修改了老师的观点。他认为，所有的恒星都处在同一个球面上，这个球半径最大，它围绕着通过地心的轴线每日旋转一周，其他的天体则有许多同心球结合。太阳、月亮各有3个，行星各有4个，把每个球用想象的轴线和邻近的球体联系起来，这些轴线可以选取不同的方向，各个球绕轴线旋转的速度也可以任意选择。后来观测资料积累的愈来愈多，新的现象又不断被发现，就不得不对这个体系做一些补充。欧多克斯的学生卡利普斯又给每个天体加上一个球层，使球的总数增加到34个。
欧多克斯和卡利普斯设想的同心球不是物质实体，只是理论上的一种辅助工具，而且日月五星每一组的同心球与另外一组无关。可是到了柏拉图的另一名高徒亚里士多德手里，这些同心球成了实际存在的壳层，而且各组形成一个连续的相互接触的系统。
亚里士多德认为宇宙是球状而且有限的，它以地球为中心，行星与其他星体是在以地球为中心的球壳上运行，这些球壳以不同的速度旋转。
亚里士多德是一位杰出的实验学家，他所观测的结果如下：由上弦月的观测推测月球是介于太阳与地球之间；由不同的纬度有不同的恒星在天顶上可推测地球是球形的；由没有明显的恒星视差的观测结果推测地球相对于恒星的运动是很小的。这样，为了使一个天体所特有的运动不致于直接传给处在它下面的天体，就不得不在载有行星的每一组球层之间插进22个“不转动的球层”。这些不转动的球层和处在它之上的那个行星运动的球层具有同样的旋转轴、同样的速度，但是以相反的方向运动，这样就抵消了上面那个行星所特有的一切运动，只把周日运动传给下面的行星。
亚里士多德体系不同于前人的体系，他的天体次序是：月亮、水星、金星、太阳、火星、木星和恒星天，恒星天之上还有一层“宗动天”。亚里士多德认为，一个物体需要另外一个物体来加以推动才能运动，于是他在恒星天之外，加了一个原动力天层——宗动天。宗动天的运动则是由不动的神来推动的，神一旦推动了宗动天，宗动天就把运动依次传递到恒星、太阳、月亮和行星上去。这样，亚里士多德就把上帝是第一推动力的思想引进宇宙论中来了。
亚历山大学派
柏拉图学派的同心球理论过于复杂，还和一些观测事实相矛盾。第一，它要求天体和地球永远保持固定的距离，而金星和火星的亮度却时常变化，这个亮度的变化意味着它们同地球的距离时远时近。第二，日食有时是全食，有时是环食，这说明太阳、月亮与地球的距离也不是固定的。
如何用地心体系来解释这些矛盾，这一责任就落在了亚历山大学派的身上。
亚历山大学派形成于公元前3世纪，是以地中海埃及的首都亚历山大城命名的。这座城池是亚历山大大帝征服埃及后于公元前382年建造的。城市内的居民来自世界各地，据说鼎盛时期人口超过了100万。
亚历山大城最令人惊奇的是它拥有世界著名的图书馆和博物馆。这座图书馆是世界有史以来最早的一个研究机构，聚集了很多知名学者，其中为首的几位主要人物是方位天文学的奠基人西帕恰斯，他编制了星座图，估测恒星的亮度；其次是欧几里得，他的名字脍炙人口，使人联想起几何学来；被西方尊为“天文学之父”的伊巴谷，编制星表，第一次记载了850颗恒星的位置；泰奥尼西亚是语言学家，他给名词和动词下了定义，首创了完整的语言学；阿基米德是众所周知的力学天才；托勒密是古代最伟大的天文学家之一，他所完成的地球中心说支配西方达1500年之久。
为了解释天体同地球之间距离是在不断变化的，亚历山大学派的天文学家阿波隆尼对毕达哥拉斯学派的同心圆理论做了修正，提出了本轮和均轮的学说。他设想，以地球为中心的圆叫做“均轮”，而以均轮上的点为中心的圆叫做“本轮”。行星沿着本轮自西向东均匀地运动，这样一来，从地球上看，行星的视运动就有顺行、逆行和留三种情况。至于水星和金星看上去总在太阳两边摆动，阿波隆尼解释说，那是因为水、金二星的本轮中心总在地球和太阳的联线上的缘故。
公元前2世纪，希腊著名天文学家喜帕恰斯在天文观测方面做了大量工作，他编制了历史上第一个星表，表上记载了1000余颗恒星的位置。在观测工作中，他发现地球和太阳之间、地球和月亮之间的距离不总是一样的。喜帕恰斯解释说，这是因为地球并不正好位于圆形轨道和月亮圆形轨道的中心，而是稍稍偏离中心一点点，这就是喜帕恰斯的偏心圆理论。
喜帕恰斯对天文学的贡献不是单一的，而是多方面的：他算出了一年是36525日再减去1/300日；发现白道拱点和黄白道交点的运动；求得地球到月亮的距离为地球直径的301/6倍；他把自己对恒星黄经的观测结果同150多年以前他人的观测结果进行比较，发现黄道和赤道的交点的缓慢移动，并推算出春分点每100年西移1度，即每年西移36分，这是岁差现象的最早发现。
托勒密继承了喜帕恰斯的观点。托勒密生于锡贝德，在公元127年～公元151年间在亚历山大城生活和工作。他用周转圆理论（本轮与均轮）来解释行星逆行，认为宇宙间任何星体绕地球运行的轨道皆为完美的圆形。
从托勒密的著作中，我们才知道喜帕恰斯和希腊早期天文学的工作，他的主要著作叫《大综合论》，它的阿拉伯译文流传下来，在整个中世纪这本书被人们奉为天文学知识的经典著作。
在这部长达13卷的巨著中，托勒密采用了阿波隆尼的本轮和均轮体系，也采用了喜帕恰斯的偏心圆，并形成了以他的名字命名的球壳宇宙观，即托勒密地心学说。他在书中指出：日、月、五大行星都在绕地球的偏心圆轨道上运转，并且各有其轨道层次。离地球最近的第一圈轨道上是月亮，叫做月亮天。第二圈轨道上是水星，叫做水星天。第三圈轨道上是金星，叫做金星天。第四、第五、第六、第七圈轨道上依次是太阳、火星、木星、土星，并分别叫做太阳天、火星天、木星天、土星天。这7个轨道圈中，太阳和月亮是直接绕地球运转的，而水、金、火、木、土5大行星则都有其本轮轨道，这5个本轮的中心又按各自的轨道绕地球运转，本轮中心的轨道就是均轮。
在托勒密的设计中，土星天以外，第八层是恒星天，满天恒星都嵌在它上面。再往外，还有3个天层，即晶莹天、最高天和净火天，托勒密假定这些天层是诸神的居住处，如此便得到一个在他看来是完美无缺的宇宙体系了。托勒密得意地说：“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。”
综合古希腊四大学派的天文学研究，可以看出古希腊的天文学以柏拉图为界可以划分为两个时期。柏拉图以前，虽然也有一些重要发现，比如月光是日光的反照、日月食的成因、大地为球形等，但还是以思辨性的宇宙论占主导地位。从柏拉图开始有了希腊天文学的特色，即用几何系统来表示天体运动。柏拉图学派创立了同心球宇宙体系，而亚历山大学派则发展出本轮、均轮或偏心圆体系，直到最后形成了托勒密地心体系。
托勒密地心体系是当时历史条件下的产物，它总结了许多世代以来天象观测的结果，概括了古代人们对天体运动的认识，并力图建立一个统一的宇宙模型去解释天体的复杂运动，这种尝试在人类文明的进步史上具有重要的意义。
地心学说的哲学基础是主观唯心主义，它只从现象出发，把现象当做本质，仅仅依据片面的、表面的、零散的感性知识做数学的抽象，自然不能正确地反映客观事物的本来面目。因而，地心学说是一个错误的宇宙模型。
托勒密以后，希腊文化完全坠入了黑暗的深渊，由于野蛮人的侵略，罗马帝国在公元4世纪崩溃了，人们放弃了希腊的知识传统，在基督教义的主宰下，服从古人的权威，采取由希伯莱传来的宇宙观，天文学和其他一切科学的发展都受到阻碍。阿拉伯人的侵略，更毁坏了希腊文化在东方的几个中心。公元640年亚历山大城被阿拉伯人攻破，城内图书馆的无价宝藏，包括其中的70余万卷手稿，完全被付之一炬，从此科学进入了一个黑暗时期。