עם שקיעתה של התרבות הרומית, בסוף המאה השלישית, הפך המודל הגאוצנטרי לדוקטרינה של הכנסייה הנוצרית, שלא ניתן היה עוד לבחון באופן מדעי. השקפה זו, שהייתה בתוקף כאלף שנים, זכתה לחיזוק נמרץ מצדו של הפילוסוף והתאולוג תומאס אקווינס, איש המאה השלוש עשרה. אקווינס היה תומך נלהב של שיטת תלמי, וסייע למזג אותה עם התאולוגיה הכנסייתית. אקווינס אימץ פרשנות חדשה של העקרונות שקבע אפלטון: השמים הם נצחיים, בעוד שהחטא והשינוי מוגבלים לארץ. "המניע הראשוני", הגלגל המניע את כל הגלגלים, הוא מעתה האל הנוצרי; ומחוץ לגלגל זה ממוקם גן העדן.
המודל של תלמי היה נחשב קשה להבנה ומסובך, אבל מכיוון שהוא נתמך באופן מוחלט על ידי המוסדות הכנסייתיים, איש לא העלה בדעתו לערער עליו.
קבלת המודל הגאוצנטרי ביהדות.
חכמי ישראל לא עסקו באסטרונומיה או אסטרולוגיה באופן שיטתי עצמאי, אך מודל אסטרונומי היה נחוץ, בעיקר לצורך חישוב לוח השנה וזמני היום, וגם כבסיס לתפיסות עולם מטאפיזיות. החל מימי הביניים ניתן למצוא התייחסות מפורשת למודלים אסטרונומים בקרב חכמי ישראל, וניתן לראות, באופן כללי, קבלה מוחלטת של המודל הגיאוצנטרי.
כך למשל כותב ספר הזוהר (על בראשית דף ט"ו:)
"דעלמא גלגל הוא ככדורא דא וכד נפיק ממזרח אזיל בסגלגלותא עד דמטי לתחת וכדין איתעבד רמשא ובההוא שעתה אזיל ונחית בגלגלין דמדריגן ידיען ונחית וסבב כל ארעא וישובא וכד נחית ואתכסיא מינן רמש לן ונהיר לאילן דדרין תחות לן לפום ישובא וסגלגלותא דארעא"
תרגום: שהעולם גלגל הוא, ככדור זה, וכשיוצא ממזרח הולך בסגלגלות עד שמגיע למטה, ואז נעשה ערב. ובאותה שעה הולך ויורד במדרגות ידועות וסובב כל הארץ והישוב. וכשיורד למטה ומתכסה מאתנו, אז אצלנו ערב ולאלו שדרים למטה אצלם אז אור, לפי היישוב וכדוריות הארץ.
גם הרמב"ם (בהלכות יסודי התורה) הביא תיאור מלא של המודל הגיאוצנטרי, כולל התיקונים האפיציקלים, ושם ציין את מקורה היווני של התאוריה:
חזרתו המהוססת של המודל ההליוצנטרי.
ב-1514 הציע ניקולאוס קופרניקוס חזרה למודל ההליוצנטרי, שבו השמש עומדת במרכז המערכת, וסביבה (בסדר זה) כוכב חמה, נוגה, כדור הארץ, מאדים, צדק ושבתאי, כאשר הירח מקיף את כדור הארץ. הנימוקים שלו להעדפת המודל החדש לא היו מדעיים באופן טהור; בין השאר, הוא הסביר כי "אין מקום טוב יותר מן המרכז עבור המנורה המאירה את היקום כולו". קופרניקוס הניח, כפי שהניחו לפניו, שלכוכבים מסלולים מעגליים, וכדי להסביר את הנתונים האסטרונומיים הוא נאלץ להסיט את המרכז קמעה מן השמש, ברוח הצעתו השנייה של אפולוניוס. למעשה, לא רק שהיו במודל שלו עוד יותר אפיציקלים מאשר אצל תלמי, הוא גם היה מדויק פחות ממודל תלמי.
ספרו של קופרניקוס, שפורסם בשנת מותו, 1543, היה מעורפל וכתוב לטינית, וכך לא משך אליו הספר את תשומת לבם של חוקרי הכנסייה. על ההתעלמות מהספר הקלה גם העובדה שלא הוצגו בו נתונים התומכים במודל שלו. את ההקדמה לספרו כתב הכומר הלותרני אנדריאס אוסיאנדר (אם כי זהות המחבר נותרה עלומה במשך שנים רבות), ובה ציין כי המודל של קופרניקוס הוא רק מכשיר מתמטי נוח לחיזויים, ואינו מתאר את הסיבות האמתיות הפועלות בטבע, שהן מחוץ לטווח ידיעתו של האסטרונום. זהו אחד הניסוחים הראשונים של העמדה הפילוסופית הקרויה אינסטרומנטליזם.
ברבע האחרון של המאה השש עשרה שקד האסטרונום הדני טיכו ברהה על איסוף נתונים אסטרונומיים, בדייקנות והיקף שלא היו כמותם לפניו. טיכו סבר כי המערכת הקופרניקאית עדיפה על זו של קודמיו, אולם הוא לא יכול היה להתעלם מן הנימוקים כבדי המשקל שהראו כי הארץ אינה נעה: פסוקי התנ"ך הרי קבעו כך במפורש. בנוסף, עמדו לצדו הנימוקים שהועלו עוד בזמנו של אריסטרכוס מסמוס, ובראשם התצפית האסטרונומית, שלפיה כוכבי השבת אינם זזים במשך השנה, ומוכיחים בכך שהארץ אינה יוצרת פרלקסה; מכאן שהיא עומדת על מכונה. כפי שקרה לפניו, טיכו ברהה לא יכול היה להעלות בדעתו את המרחק האמיתי מכדור הארץ אפילו אל הכוכבים הקרובים ביותר, שבגינו נעשית השפעת הפרלקסה עדינה וקשה כל כך לזיהוי. לפיכך, קיבל טיכו ברהה את עיקרי הרעיונות של קופרניקוס, והוסיף עליהם רק שינוי אחד: במקום שהשמש תהיה במרכז וכוכבי הלכת ינועו סביבה, תעמוד הארץ במרכז, סביבה תנוע השמש, ותשא עמה את כל כוכבי הלכת. מודל זה נקרא, על שמו, המודל הטיכוניאני.
דחיקתו של המודל הגאוצנטרי וקבלת המודל ההליוצנטרי כמועדף.
ב-1610, תשע שנים לאחר מותו של טיכו ברהה, סיים תלמידו יוהאנס קפלר לנתח את הנתונים שאסף טיכו. נתונים אלה הביאו את קפלר להציע שהכוכבים נעים במסלולים אליפטיים, ולא מעגליים. חיזוייו של קפלר שהיו המדויקים ביותר ביחס לנתונים של טיכו חיזקו את האמונה שהמודל שלו מתאר את מצב העניינים האמיתי בטבע ולא רק מודל מתמטי נוח, ולמעשה מדויקים די הצורך גם בימינו לרוב המטרות. למרות שאמונה זו תאורטית שגויה, מודל גיאוצנטרי מדויק מסורבל עד כדי שלא ניתן לתאר אותו בתרשים, ולמעשה אין בו תועלת למעט הדגמה של תקפות עקרון גלילאו שבחירת נקודת הייחוס אינה משנה את התנהגות המערכת.
באותה שנה גילה גלילאו, בעזרת הטלסקופ ששכלל, את ארבעת ירחיו הגדולים של צדק, ובכך טען באופן משכנע שתנועה שאינה סביב כדור הארץ היא בגדר האפשר. גילוי ההרים והגיאיות על פני הירח וגילוי כתמי השמש, החלישו באופן משמעותי את הדוֹגמה של השמים שאינם משתנים. העובדה שהטלסקופ לא הגדיל את הכוכבים כפי שהגדיל עצמים קרובים יותר הצביעה על כך שהם רחוקים הרבה יותר ממה שחשבו עד אז. מרחקם העצום של הכוכבים הסביר את היעדרה של תופעת הפרלקסה, שחוסר היכולת להסבירה עד אז היווה את אחד המכשולים לקבלת המודל ההליוצנטרי.
בספרו "מכתבים על כתמי השמש" (1613) הצהיר גלילאו כי המודל ההליוצנטרי הוא היחיד התואם את הנתונים האמפיריים. ב-1632 כתב גלילאו את "דיאלוג על שתי השיטות הגדולות של העולם" (השיטה התלמאית והשיטה הקופרניקאית). במסווה של דיאלוג אובייקטיבי בין שלושה דוברים, ששניים מהם מייצגים את שתי השיטות והשלישי הוא מאזין נייטרלי, שם גלילאו לחוכא ואטלולא את השקפת הכנסייה על מיקומה של הארץ במרכז היקום. גלילאו הציג תאוריה משכנעת של פיזיקה ארצית, ובה העיקרון של תנועה יחסית, שמסביר מדוע העצמים על כדור הארץ אינם ניתקים ממנו במעופו סביב השמש - התנגדות נפוצה של מצדדי המודל הגאוצנטרי שבו הארץ במנוחה.
הספר נכתב איטלקית ולכן היה נגיש לכל שכבות העם. הוא הוכנס כמעט מיד לרשימת הספרים האסורים (ממנו הוצא רק ב-1835). מאחר שהיה מיודד עם האפיפיור, הפריז גלילאו בהערכתו את הסובלנות שתגלה הכנסייה הקתולית כלפי השקפותיו. עמדת האפיפיור הייתה שהמודל ההליוצנטרי מקובל כל עוד מתייחסים אליו כמכשיר מתמטי בלבד, שאינו משקף את המציאות כפי שהיא. אולם, גלילאו תקף בספרו את העמדה הזו וטען בזכות אימוץ גישה ריאליסטית כלפי המודל ההליוצנטרי. גלילאו הגדיל לעשות וייחס את עמדת האפיפיור לדמות בדיונית בשם "סימפליציו", שנתפשה ככינוי גנאי שממנו משתמע שלאפיפיור מחשבה פשוטה. בתקופה שבה מעמדה של הכנסייה הקתולית באירופה התערער באופן כללי, ערעור על עמדת הכנסייה והתייחסות גנאי אישית לאפיפיור היו יותר משהכנסייה יכלה לסבול. גלילאו הועמד למשפט בעוון כפירה, הורשע ונידון למאסר בית. עם זאת, עונשו היה קל יחסית ביחס לעברה החמורה.
מאסרו ומשפטו של גלילאו לא בלמו את התפשטות המודל ההליוצנטרי, ועד אמצע המאה ה-17 כבר הייתה ההשקפה הגאוצנטרית נחלת העבר. ניתן לייחס את התפשטות התאוריה ההליוצנטרית לירידה הכללית במעמד הכנסייה הקתולית, אולם ניתן גם לייחס את הירידה במעמד הכנסייה, בין היתר, לטיעונים המשכנעים שהוצגו בזכות המודל ההליוצנטרי. ניסוי המטוטלת של פוקו, שהראה לכאורה במוחש, כמאתיים שנים אחר-כך, את תנועת כדור-הארץ סביב צירו, נתן למודל את מכת החסד.
לימים, כתב פרויד כי "במרוצת הדורות ניטל על האנושות לסבול מידי המדע שלוש פגיעות קשות באהבתה העצמית התמימה". בראש הרשימה, הכוללת את המעבר מאמונה כי האדם נברא בצלם להשקפה אבולוציונית ואת גילוי התת מודע השולט במעשי הנפש המודעת, מנה פרויד את אובדן המודל הגאוצנטרי.
המודל הגאוצנטרי מנקודת מבט מודרנית.
על פי עקרון השקילות של גלילאו, ניתן לקבוע את המרכז באופן שרירותי, כלומר - ניתן לקבוע את המרכז בכדור הארץ. מודל כזה אמנם מדויק פיזיקלית, אך הוא שונה בתכלית השינוי מהמודל הגיאוצנטרי ההיסטורי. המודל מתאר תנועות מורכבות מאוד (ראו איור) שאינן חוזרות על עצמן, מה שהופך שירטוט של המודל לאורך זמן לבלתי אפשרי - השירטוט כולו יתמלא במסלולים, שכל אחד מהם מתאים למועד יחיד.
לאחר פרסום העקרונות המתמטיים של פילוסופיית הטבע שכתב ניוטון, ניתנה פרשנות חדשה לשאלה מי סובב את מי, כדור הארץ או השמש. פתרון בעיית שני הגופים מראה שבמערכת בת שני גופים, המודל הנוח ביותר הוא תיאור הגופים כמקיפים שניהם את מרכז הכובד המשותף. לגבי כדור הארץ והשמש, מרכז הכובד נמצא קרוב מאוד למרכזה של השמש. לעומת זאת, מרכז הכובד המשותף של השמש וכוכב הלכת צדק מצוי על הקו המחבר את מרכזי שני הכוכבים, מעט מחוץ לשמש עצמה.
בשל חוק שימור התנע, מרכז הכובד של המערכת אינו יכול לנוע, אלא בקו ישר; מכאן שבתאור הנוח השמש היא המקיפה אותו, ולא להפך. כך גם כל שאר הגופים: כולם סובבים את מרכז הכובד המשותף. נקודה זו מצויה בתנאים רגילים בתוככי השמש שקוטרה 1.5 מיליון קילומטרים (כוכבי הלכת הכבדים מאזנים זה את זה, כמשקולות התלויות סביב), גם אם לא במרכזה של השמש. בשפה מעט פחות מדויקת, מקובל לתאר את המערכת כאילו כוכבי הלכת מקיפים את השמש.