埃拉托斯特尼用比较科学的方法得出了很精确的结果，他注意到夏至日太阳在塞恩地方的天项上，而在亚历山大城用仪器测得太阳的天项距等于圆周的1/50。他认为这个角度即是两地的纬度之差，因而地球的周长即是两地之间距离的50倍。这两地之间的距离当时认为是5000希腊里，所以地球的周长为25万希腊里，那么地球周长便是39600公里，这个数字即使在现在说来也是相当准确的。
100多年以后，住在罗得岛上的波西东尼斯又利用老人星测过一次地球的周长，得出的结果为18万希腊里，虽然这个结果没有埃拉托斯特尼的准确，但曾一度为托勒密所采用，因而成为一段时期内公认的地球周长的数值。
毕达哥拉斯认为，月光是太阳光的反射，月亮的圆缺变化是由于月、地、日之间位置的变动，月面明暗交界处为圆弧形，表明月亮为球形，并推想其他天体也都是球形。亚里士多德接受了这一论断，并且进一步提出“运动着的物体必是球形”这一错误命题来作为论据。
阿利斯塔克试图用几何学的方法来测定日、月、地之间的相对距离和它们的相对大小，并由此写下了论文，他的论文《关于日月的距离和大小》一直流传到今天。在这篇论文中，他设想上、下弦时，日、月和地球之间应当形成一个直角三角形，月亮在直角项上，通过测量日、月对地球所形成的夹角就可以求出太阳和月亮的相对距离。他量出这个夹角是87度，并由此算出太阳比月亮远约18～20倍。
喜帕恰斯继续做阿利斯塔克测量日、月大小和距离的工作，他通过观测月亮在两个不同纬度地方的地平高度，得出月亮的距离约为地球直径的30.19倍，这个数字比实际稍小一点。
毕达哥拉斯学派的菲洛劳斯认为日、月和行星除绕地球由西向东转动外，每天还要以相反的方向转动一周，这是不谐和的。为了解决这种不谐和的问题，他提出地球每天沿着由西向东的轨道绕中央火转动一周。
和月亮总是以同一面朝着地球一样，地球也总是以同一面朝着中央火，而希腊人总是住在背着中央火的一面。地球和中央火之间还有一个“反地球”，它以和地球一样的角速度绕中央火运行，因此，地球上的人将永远看不见中央火的。
按照菲洛劳斯的理论，中央火是宇宙的中心。处在它外面的地球每天绕火转一周，月球每月一周，太阳每年一周，行星的周期则会更长，而恒星是静止的。这样的观点就要求地球每天运行一段行程后，人类所看到的恒星的位置应该有所改变，除非恒星跟地球的距离是无限远。
毕达哥拉斯学派认为天体与中央火的距离应服从音阶之间音程的比例，也就是说恒星与地球的距离是有限的，并不是无限远的，然而从来没有观测到在一天之内恒星之间的视位置有什么变化，这是一个矛盾。为了消除这一矛盾，毕达哥拉斯学派另外两位学者希色达和埃克方杜斯提出地球自转的理论，认为地球处在宇宙的中心，每天自转一周。其后，柏拉图学派的赫拉克利德继承了希色达和埃克方杜斯的观点，以地球的绕轴自转来解释天体的视运动，同时又观察到水星和金星与太阳的距离很少改变，进而提出这两个行星是绕太阳运动，然后又和太阳一起绕地球运动。
和赫拉克利德同时代的亚里士多德反对水星和金星与太阳的距离永恒的观点，他以没有发现恒星视差来反对地球绕中央火转动的学说。他以垂直向上抛去的物体仍落回原来位置，而不是偏西的事实来反对地球自转的学说。亚里士多德的这两个论据，直到伽利略的力学兴起和贝塞耳发现了恒星的视差以后，才被驳倒。
亚里士多德的观点在很长时期内占据了统治地位，公元前3世纪的阿利斯塔克还是提出了异议，他认为，地球在绕轴自转的同时，又每年沿圆周轨道绕太阳一周，太阳和恒星都不动，行星则以太阳为中心沿圆周运动。为了解释恒星没有视差位移，他正确地指出，这是由于恒星的距离远比地球轨道直径大得多的缘故。
阿利斯塔克的见解虽富有科学性，但走在时代的前面太远了，无法得到一般人的承认。当时盛行的是另一种见解，即以地球为中心的地心说，它一直延续到16～17世纪。在地心说的形成和发展过程中，许多希腊学者起了奠基的作用。
毕达哥拉斯学派认为，一切立体图形中最美好的是球形，一切平面图形中最美好的是圆形，而宇宙是一种和谐的代表物，所以一切天体的形状都应该是球形，一切天体的运动都应该是匀速圆周运动。然而实际上，行星的运动速度很不均匀，有时快，有时慢，有时停留不动，有时还会逆行。
柏拉图认为行星运行的不均匀只是一种表面现象，这种表面现象可以用匀速圆周运动的组合来解释。在《蒂迈欧》中，他提出了以地球为中心的同心球壳模型。各天体所处的球壳离地球的距离由近到远依次是：月亮、太阳、水星、金星、火星、木星、土星、恒星，各同心球之间由正多面体连接着。
欧多克斯发展了柏拉图的观点，欧多克斯认为：“所有恒星共处在一个球面上，此球半径最大，它围绕着通过地心的轴线每日旋转一周；其他天体则有许多同心球结合，日、月各3个，行星各4个，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，各个球绕轴旋转的速度也可以任意选择。”这样，把27个球经过组合以后，就可以解释当时所观测到的天象。后来，由于观测资料积累得愈来愈多，新的现象又不断发现，所以就不得不对这个体系进行补充。欧多克斯的学生卡利普斯，又给每个天体加上了一个球层，这样就使球的总数增加到34个。
欧多克斯和卡利普斯的同心球并非是实体，只是理论上辅助思维的一种工具，而且日月五星每一组的同心球与另一组并没有关系，可是到了亚里士多德手里，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。这样，为了使一个天体所特有的运动不致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数目、同样的旋转轴、同样的速度，但是他们以相反的方向运动，这样就抵消了上面那个行星所特有的一切运动。
亚里士多德体系有很多不同于前人的地方：他的天体次序是月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星和恒星天，在恒星天之外还有一层“宗动天”。亚里士多德认为，一个物体需要另一个物体来推动才能运动，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，宗动天就把运动逐次传递到恒星、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。
同心球理论除了过于复杂以外，还和一些观测事实相矛盾：第一，它要求天体同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，这意味着它们同地球的距离并不固定。第二，日食有时是全食，有时是环食，这也说明太阳、月亮同地球的距离也在变化。
阿利斯塔克的日心地动说虽然可以克服同心球理论的困难，但他无法回答上面提到的亚里士多德对地球公转和自转的责难。当时希腊人认为天地迥然有别，也阻碍了人们接受地球是一个行星的看法。因此，要克服同心球理论所遇到的困难，还得沿着圆运动的思路前进。
阿波隆尼设想出另一套几何模型，这套几何模型可以解释天体同地球之间距离的变化，那就是：如果行星做匀速圆周运动，而这个圆周的中心又在另一个圆周上做匀速运动，那么行星和地球的距离就会有变化。通过对本轮、均轮半径和运动速度的适当选择，天体的运动就可以从数量上得到说明。
喜帕恰斯继承了阿波隆尼的本轮、均轮思想，并且又进一步有所发现：太阳的不均匀性运动还可以用偏心圆来解释，即太阳绕着地球做匀速圆周运动，但地球不在这个圆周的中心，而是稍偏一点。这样从地球上看来，太阳就不是匀速运动，而且距离也有变化，近的时候走得快，远的时候走得慢。
本轮均轮说到托勒密时发展到了完备的程度，他在《天文学大成》中做了概括，这种学说统治了天文学界1400多年，直到哥白尼学说出现以后，才逐渐被抛弃。