Klaudios Ptolemaios var forfatter av flere vitenskapelige avhandlinger, minst tre av dem av vedvarende viktighet for senere islamsk og europeisk vitenskap. Den første var en astronomisk avhandling i dag kjent som (gresk: Ἡ Μεγάλη Σύνταξις, «Den store avhandling», opprinnelig Μαθηματικὴ Σύνταξις, «Matematisk avhandling»). Her framsetter han teorien om at nattehimmelen utgjør en perfekt halvkule med jorda i sentrum. Stjernene er festet til ulike sfærer som roterer omkring jorda. Planetene beveger seg i episykler, sirkelformede baner omkring et sentrum, som i sin tur tegner en perfekt sirkel rundt jorda. Han utviklet kompliserte matematiske formler for å forklare de observerte planetbevegelsenes avvik fra teorien. Ifølge Ptolemaios var jorda i ro. Om den ikke var det, ville skyer og fugler forsvinne. Som den vanlige antagelsen i gresk kosmologi skilte også Ptolemaios mellom en ufullkommen og foranderlig verden under månens bane, og en fullkommen og uforanderlig verden fra månens bane og utover. Jorda hadde dermed lavest verdi. Ptolemaios gjorde nye beregninger av avstanden fra jorda til sola og månen. inneholder også en stjernekatalog. Mange av de kjente stjernebildene, som Orion og Løven, har fått sine navn av Ptolemaios.