אורך השנה הטרופית ע"פ חשבונם מדויק מאוד – הרבה יותר משל היוונים (סטיה של 18 שניות לשנה בלבד), אורך מחזור הירח די מדויק – 29 יום 12 שעות 44 דקות 1/3 26 שניות. אורך מחזור נוגה מדויק מאוד: 584 יום (היום ידוע לנו: 583.92). כמו כן הם היחידים שגילו, עוד לפני המצאת הטלסקופ, שערפילית אוריון (כסיל) היא מטושטשת ויש בה כוכבים מפוזרים ולא נקודה בודדת. גם הם חישבו את זמני ליקויי החמה והלבנה.
יוון העתיקה ורומא.
ממסופוטמיה עברה גחלת האסטרונומיה לעולם ההלניסטי, שבו מוקד העיסוק השתנה מאירועים כגון ליקויי חמה ולבנה והפקת לוחות שנה למיפוי כיפת השמים ויצירת קטלוגים ותאוריות קוסמולוגיות. כתבים המיוחסים לאסטרונום אאודוקסוס מקנידוס, מן המאה הרביעית לפני הספירה, כוללים מודל גיאוצנטרי, לפיו כדור הארץ היה במרכז וסביבו סבו השמים כולם. אצל אוודוקסוס, כל כוכב לכת נע כאילו הוא משובץ בכדור גדול שמרכזו מתלכד עם מרכז כדור הארץ, בעוד שהכדור סב על צירו. כדי להסביר את הנתונים האסטרונומיים, אוודוקסוס נאלץ להניח שציר הסיבוב עצמו אינו קבוע, אלא נוקף במעגל קטן כמו ציר הסיבוב של סביבון.
בתקופה הרומאית חל קפאון באסטרונומיה, שבתקופה זו עיקר תפקידה היה ביישומה המעשי (לדעת מאמיניה באותה תקופה), האסטרולוגיה. ברבע השני של המאה השנייה לפני הספירה ערך היפרכוס קטלוג שכלל כ־1000 כוכבים, והצביע על אי דיוקים במודלים האסטרונומיים של מערכת השמש שהיו מקובלים בתקופתו. מעט מאוחר יותר התקין יוליוס קיסר, המנהיג הרומאי החשוב, לוח אחיד באימפריה הרומית, הוא הלוח היוליאני.
במאה השנייה לספירה ערך תלמי את המודל הגיאוצנטרי למידת דיוק גבוהה, ומודל זה משל בכיפה עד לימי גלילאו. החסות שהעניקה הכנסייה הקתולית למודל הרתיעה מחיפוש מודל שונה. מודל ההליוצנטרי ראשוני ולא מדויק היה קיים באותה עת אך נזנח ונשכח.
פיתוח המודל הגאוצנטרי.
מקור השם גאוצנטרי הוא ביוונית: "גאו" – ארץ ו־"צנטרון" – מרכז. ניתן להבין מכך שמשמעות השם המודל הגאוצנטרי היא ההשקפה לפיה כדור הארץ במרכז, הוא מרכז היקום לפי מודל זה, כלומר: השמש, הירח, הכוכבים וכוכבי הלכת סובבים את כדור הארץ. לאחר גילוי צורתו הכמעט-כדורית של העולם על ידי היוונים נוצר מודל זה. מודל זה היה נפוץ בעולם ההלניסטי ורעיונות דומים לו היו נפוצים בשאר העולם (הודו העתיקה, סין העתיקה).
בנוסח הסופי של המודל הגאוצנטרי שניסח תלמי היו 55 ספירות (Spheres) בדולח הכילו את השמש הכוכבים וכוכבי הלכת. כוכבי הלכת נעו במסלול מעגלי, אך מרכז המעגל לא היה בדיוק כדור הארץ – תלמי הכניס רכיב שנקרא "דפראנט", שהוא המרחק ממרכז כדור הארץ אל מרכז המעגל שמתווה כוכב הלכת, בצירוף עם סיבוב של ספירות קטנות יותר על הספירות שאותם הוסיף לפני כן, אפיציקלים, שאותם הגה אריסטו. במודל של תלמי, המדויק הרבה יותר בתוצאותיו, היו אפיציקלים על גבי אפיציקלים בכמויות מרובות.
המודל הגאוצנטרי שלט ברמה עד המאה ה־16. במחצית המאה, ב־1543 פורסם ספרו של קופרניקוס "על סיבובם של הספירות השמימיות" , בו קופרניקוס הציע מודל בו השמש במרכז, אך שימר את הרעיונות של תלמי בדבר הספירות ודפרנט עבור כל כוכב לכת. כמו כן מיקם קופרניקוס את הירח במסלול מעגלי סביב כדור הארץ. המודל של קופרניקוס היה מדויק פחות משל מודל תלמי, אך העובדה שהכנסייה הקתולית התייצבה וגיבתה את המודל של תלמי גרמה לכך שרבים שהתנגדו לכנסייה אמצו את מודל קופרניקוס, וגרסו שעם שיכלולים יוכיח עדיפות על המודל ההליוצנטרי של תלמי. מכת המוות למודל תלמי היו חוקיו של קפלר, שאכן הביא את המודל הגיאוצנטרי לרמת דיוק שהותירה את מודל תלמי הרחק מאחור.
ימי הביניים.
לאחר נפילת האימפריה הרומית עבר לפיד האסטרונומיה לערבים (עם עליית האסלאם) ולהודים ולסינים שקיבלו אותה דרך דרך המשי. בעוד ההודים והסינים, שעסקו באסטרונומיה עוד לפני זאת, לא פיתחו את האסטרונומיה במיוחד בתקופה זו, הערבים, שעד עליית האסלאם היו עם מפגר אחרי העמים שבסביבתו, החלו בתקופה זו במחקר אסטרונומי רב כפי שלא נראה עד אותה תקופה, ועד היום רוב הכוכבים שלהם שם שאינו תחת מערכת מתן שמות מסודרת - שמם ערבי. אחת המוטיבציות לכך הייתה שימוש בניווט אסטרונומי למסעות ימיים ואחד האמצעים שסייעו בידם הייתה המצאה יוונית בשם אצטרולב.
באירופה, הבקיאות בשפה היוונית התמעטה וכתבים מפורטים שנכתבו ביוונית על תחום האסטרונומיה הפכו לפחות נגישים ואת מקומם תפסו תקצירים או מאמרים ישומיים בלטינית. עיקר העניין באותה עת בתחום האסטרונומיה היה בהקשר של לוחות השנה וקביעת מועדי החגים הנוצריים (כך למשל, חיבור של בדה ונרביליס שימש לקביעת המועד המדויק של חג הפסחא) ומצד אסטרולוגים. במאה ה–12 משכילים אירופאים כמו סילבסטר השני ערכו מסעות אל ספרד וסיציליה עקב השמועה על הידע הקיים בעולם הערבי הקשור לאסטרונומיה ועריכת לוח השנה ובפרט האצטרולב. כתבים בערבית ויוונית תורגמו ללטינית והעשירו את הידע באירופה, באוניברסיטאות שהחלו לקום באותה עת נלמדה גם אסטרונומיה וכתבים חדשים נוצרו, כמו אלו של יוהנס דה סקרובוסקו.
הרנסאנס והעת החדשה.
בבוא הרנסאנס התפתחה רבות האסטרונומיה באיטליה, ומשם עברה לשאר אירופה הנוצרית. תגליותיהם של גלילאו גליליי וניקולאוס קופרניקוס, ויותר מכל – של יוהאנס קפלר פתחו את הצוהר לתאוריה החדשה של האסטרונומיה: התאוריה ההליוצנטרית לפיה השמש במרכז היקום וכדור הארץ ושאר גרמי השמים סבים סביבה.
באותן שנים גליליי שכלל את הטלסקופ והפך אותו מאביזר אשליה ושעשוע כפי שנתפס אז (כמו קליידוסקופ או חדר מראות) לכלי מדעי אמין וידידו הטוב ביותר של האסטרונום. המשכילים של אותה עת הביעו ספקנות רבה ועדיין חשדו כי מדובר באביזר אשליה, אך גליליי הציג את תגליותיו והצליח לבסס את התאוריה החדשה והטלסקופ הפך לכלי החשוב ביותר באסטרונומיה במאות הבאות. שכלול הטלסקופ והשיפורים שהוכנסו בו לאורך השנים (כמו פיתוח עדשה אכרומטית) עזרו לגילוי המוני כוכבים, ותרמו לאין ערוך לקידום תחומי מדעים אחרים, כמו פיזיקה או אלקטרוניקה.
המודל ההליוצנטרי.
מקור השם הליוצנטרי ביוונית הוא הליוס (בעברית: שמש) וצנטרון, כלומר ההשקפה לפיה השמש במרכז. המודל נוגד האינטואיציה (הרי כשמסתכלים לשמי הלילה רואים את הכוכבים נעים) היה מוכר כבר ליוונים והועלה על ידי הפיתגוראים ואריסטרכוס. גם במאה החמישית מודל הליוצנטרי הוצע בהודו על ידי האסטרונום ההודי אריבהאטה.
עם זאת רק במאות השש עשרה והשבע עשרה המודל הועלה מחדש במערב על ידי קופרניקוס (בספרו שפורסם ב־1543) וגלילאו (אשר החל לתמוך בו בסביבות 1597) וזכה לביסוס מתמטי בעזרת קפלר שהתבסס על תצפיותיו המדויקות של טיכו ברהה. עם זאת, התאוריה לא התקבלה בברכה – קופרניקוס שחשש מהכנסייה הקתולית נמנע מפרסום עבודתו עוד בחייו ועבודתו של גליליי שתמכה במודל ההליוצנטרי, התקבלה כביזוי האפיפיור, למרות קשריו הטובים עמו, והוא נאלץ לעמוד למשפט האינקוויזיציה ולשבת במעצר בית עד סוף חייו.
להתפתחות המודל ההליוצנטרי באירופה היו מספר שלבים: תחילה הופיע המודל של קופרניקוס בו כל מערכת השמש פרט לירח סובבת סביב השמש, לאחר זמן הופיע המודל של טיכו ברהה לפיו השמש והירח מקיפים את כדור הארץ ושאר מערכת השמש מקיפה את השמש (משום שלא עמד לרשותו טלסקופ מתאים, לא הצליח לזהות היסט ולכן הניח שאין תנועת כוכבים). טיכו הצביע גם על קיומם של כוכב שביט וכוכב שבת נוסף (שכעת ידוע שהיה מדובר בסופרנובה), עובדה שמעידה על הדינמיות של השמיים, מה שסתר את הרעיון של גרמי השמיים שאינם משתנים, חלק מהמודל שהכנסייה הגנה עליו. גילוי ירחי צדק על ידי גלילאו בינואר 1610 יצר סדק נוסף במודל הגיאוצנטרי לפיו כל הגופים השמימיים מקיפים את הארץ.
בשני המודלים, ההליוצנטרי והטיכוניאני, תנועת ההקפה הייתה מעגלית לחלוטין, ולכן עדיין נדרשו המוני אפיציקלים כדי לתאום את המציאות. ב־1609 פורסמו בספרו של קפלר "האסטרונומיה החדשה", שניים מחוקי קפלר ולפי מודל זה, התנועה של הגופים השמימיים אליפטית ולכן התצפיות היו תואמות אפילו יותר משל המודל הגאוצנטרי. החוליה החסרה במודל הייתה הקשר בין אסטרונומיה לפיזיקה ואותה השלים אייזק ניוטון עם עבודתו בנוגע לכוח הכבידה.
הכנסייה אימצה את המודל רק לאחר תצפיותיו של ג'יימס בראדלי במאה ה־18, כאשר הצליח לזהות היסט.
שני המודלים במבט קרטזיאני.
כבר גלילאו טען שתיאור פיזיקלי אמיתי של המציאות חייב לכלול שיהיה נכון עבור כל מערכת שהיא, ובכלל זה שהתיאור יתאים ללא תלות בבחירת הגוף המרכזי במערכת פלנטרית. עקרון זה נדחק לשוליים של המאבק להנחלת המודל ההליוצנטרי. למעשה ניתן לומר ששני הרעיונות נכונים – אך המודל ההליוצנטרי פשוט הרבה יותר בשל בחירת מרכז המסה של המערכת כנקודת הייחוס. ניתן לתיאור את מערכת השמש כנקודת המרכז נבחרת בכל מקום אחר – יהא זה כדור הארץ או אחד מירחי צדק. עם זאת ככל שהנקודה הנבחרת לתפקיד ראשית מערכת הצירים שרירותית יותר, כך ילך התיאור ויסתבך.
ערפיליות או גלקסיות נוספות.
בשלהי המאה ה־17 יזם האסטרונום הבריטי ויליאם הרשל סקר שמים מקיף, אותו ביצע בטלסקופים שבנה במו ידיו. במסגרת הסקר בנה הרשל הערכה גסה של המבנה התלת־ממדי בו פזורים הכוכבים. הוא הופתע לגלות שכוכבי השמיים אינם מפוזרים באופן אחיד, אלא ערוכים במעין דיסקה שמרכזה נפוח, ומישור הדיסקה הוא שביל החלב - חגורה רחבה הנראית בעין בלתי מזוינת כענן זרחני בשמי הלילה.