Os gregos desenvolveram a astronomia, a qual eles relacionavam como um ramo da matemática, a um nível bem sofisticado. O primeiro astrônomo a desenvolver um modelo geométrico de três dimensões para explicar o movimento aparente dos planetas foi Eudoxo de Cndo no século IV a.C; seu modelo era baseado em esferas homocéntricas, e era geocêntrico . Seu contemporâneo mais jovem, Heraclides do Ponto, propôs que a Terra rodava ao redor de seu eixo.
Aristóteles desenvolveu uma ideia de Universo, com a Terra no seu centro e com todo o resto rodando ao seu redor em órbitas que eram círculos perfeitos, que tinha um poder explanatório considerável e prevaleceu por séculos. Ao desenvolver e popularizar esse modelo cosmológico, Aristóteles tenha talvez mais ajudado o conhecimento do que o prejudicado.
A Máquina de Anticítera, um dispositivo originário da Grécia antiga que calculava os movimentos dos planetas, data de aproximadamente 80-87 a.C.e foi o primeiro ancestral dos computadores astronômicos. Foi encontrado nos destroços de um antigo naufrágio na ilha grega de Anticítera, entre Cítera e Creta. O dispositivo ficou famoso por usar uma engrenagem diferencial, que anteriormente se acreditava ter sido inventada no século XVI, e pela miniaturização e complexidade de suas partes, que foram comparadas a um relógio feito no século XVII. O mecanismo original está exposto na Coleção do Bronze do Museu Nacional Arqueológico de Atenas, acompanhado por uma replica. Outra replica está em exposição no Museu do Computador Americano em Bozeman, Montana.
O estudo da astronomia pelos gregos antigos não era limitado somente à Grécia, mas foi posteriormente desenvolvido nos séculos II e III a.C, nos estados helenísticos e em particular na Alexandria . No século III a.C.,Aristarco de Samos foi o primeiro a propor um sistema inteiramente helioêntrico, enquanto Eratóstenes, usando ângulos de sombras criados em regiões totalmente distintas, estimou a circunferência da Terra com uma grande precisão.
No século seguinte, Hiparco fez inúmeras contribuições importantes, incluindo a primeira medição da precessão e a compilação do primeiro catálogo de estrelas. Ele propôs uma física alternativa a de Aristóteles, em um tratado que infelizmente foi perdido. Hiparco, que foi o primeiro astrônomo grego a insistir na precisão das medições, foi a fonte principal de Ptolomeu que escreveu a obra de arte da astronomia geocêntrica, o Magale Syntaxis , mais conhecido pelo seu título árabe Almagesto, que teve um efeito duradouro na astronomia até a Renascença. Hiparco também propôs nosso sistema moderno de magnitude aparente.
