Dù những giáo lý căn bản của thuyết địa tâm Hy Lạp được hình thành từ thời Aristotle, các chi tiết về hệ của ông không phải là một tiêu chuẩn. Vinh dự này được dành cho Hệ Ptolemaios, được nhà thiên văn học Hy Lạp-Rôma Claudius Ptolemaeus (hay còn gọi là Ptolemaios) đưa ra vào thế kỷ thứ 2 sau Công nguyên. Cuốn sách thiên văn học quan trọng của ông Almagest là thành quả cao nhất của công trình kéo dài hàng thế kỷ của các nhà thiên văn Hy Lạp; nó đã được chấp nhận trong hơn một nghìn năm sau, được những người châu Âu và các nhà thiên văn học Hồi giáo coi là mô hình vũ trụ chính xác. Vì ảnh hưởng của nó, hệ Ptolemaios thỉnh thoảng được coi tương tự với mô hình địa tâm.

Các yếu tố cơ bản của thiên văn học Ptolemaios, thể hiện một hành tinh trên một ngoại luân với một mặt cầu chính lệch tâm trên một điểm tâm sai.

Hệ Ptolemaios

Trong hệ Ptolemaios, mỗi hành tinh chuyển động trên hai hay nhiều mặt cầu: một mặt cầu chính (deferent) với tâm là Trái Đất, và các mặt cầu khác được gọi là ngoại luân nằm trên mặt cầu chính. Hành tinh chuyển động trên các mặt cầu và ngoại luân đó. Mặt cầu chính quay quanh Trái Đất trong khi ngoại luân quay bên trong mặt cầu chính, khiến hành tinh có thể tiến gần hay rời xa Trái Đất hơn tùy theo các điểm khác nhau trên quỹ đạo của nó, và thậm chí có thể di chuyển chậm, dừng lại, đi giật lùi (trong chuyển động lùi). Các ngoại luân của Sao Kim và Sao Thủy luôn có tâm trên một đường thẳng nối Trái Đất với Mặt trời (Sao Thủy gần Trái Đất hơn), điều này giải thích tại sao chúng luôn gần nhau trên bầu trời. Thứ tự các hành tinh từ Trái Đất trở ra theo hệ Ptolemaios như sau:

1. Mặt Trăng
2. Sao Thuỷ
3. Sao Kim
4. Mặt trời
5. Sao Hoả
6. Sao Mộc
7. Sao Thổ
8. Các định tinh

Mô hình mặt cầu chính và các ngoại luân đã từng được các nhà thiên văn Hy Lạp sử dụng trong nhiều thế kỷ, cũng như ý tưởng lệch tâm (một mặt cầu chính có tâm hơi lệch khỏi tâm Trái Đất). Trong hình minh hoạ, tâm của mặt cầu chính không phải tâm Trái Đất mà là điểm X, khiến nó bị lệch tâm (trong tiếng Latinh ex- hay e- có nghĩa "từ," và centrum nghĩa "trung tâm"). Không may thay, hệ này ở thời Ptolemaios không tương thích lắm với các quan sát, thậm chí khi nó đã được cải tiến nhiều so với hệ Aristotle. Thỉnh thoảng kích thước các hành tinh đang thụt lùi (trường hợp dễ thấy nhất là Sao Hoả) nhỏ lại, và thỉnh thoảng lại to hơn. Điều này khiến ông phải đưa ra ý tưởng về một đẳng thước (equant). Điểm đẳng thước là một điểm gần tâm một quỹ đạo hành tinh mà, nếu bạn đứng đó quan sát, trung tâm ngoại luân của hành tinh sẽ luôn thể hiện di chuyển với cùng một tốc độ. Vì thế, hành tinh trên thực tế đang chuyển động với một tốc độ khác nhau tùy theo điểm mà ngoại luân ở trên mặt cầu chính. Khi sử dụng đẳng thứoc, Ptolemaios muốn giữ chuyển động luôn là đồng nhất và hình tròn, nhưng nhiều người không thích nó bởi vì họ cho rằng nó không chính xác với tuyên bố của Plato về "chuyển động tròn đồng nhất." Hệ thống cuối cùng được nhiều người chấp nhận ở phương tây là một hệ thống rất cồng kềnh khi quan sát theo quan điểm hiện nay; mỗi hành tinh cần một ngoại luân quay quanh mặt cầu chính, được bù thêm bằng một tâm sai khác nhau tùy theo hành tinh. Nhưng hệ này lại phán đoán được chuyển động của nhiều thiên thể, gồm cả sự khởi đầu và kết thúc của chuyển động lùi, khá chính xác ở thời điểm ấy.

Bức vẽ này trong một bản thảo ở Iceland niên đại khoảng năm 1750 thể hiện mô hình địa tâm.