Mô hình địa tâm bắt đầu xuất hiện trong triết học và thiên văn học Hy Lạp từ rất sớm. Có thể tìm thấy những dấu vết mô hình này trong triết học tiền socrat. Vào thế kỷ thứ 6 trước Công Nguyên, Anaximander đã đưa ra một vũ trụ học với Trái Đất như một mặt cắt của một cột trụ (một hình trụ), được giữ ở bên trên tại trung tâm tất cả mọi vật. Mặt trời, Mặt Trăng, và các hành tinh được đục trong những bánh xe vô hình quanh Trái Đất; thông qua những hố đó, con người có thể thấy được ngọn lửa thần bí. Cùng thời gian ấy, những môn đồ Pytago dạy rằng Trái Đất là một hình cầu, nhưng không phải ở trung tâm; họ tin rằng nó chuyển động quanh một ngọn lửa thần bí. Sau này các quan điểm đó được phối hợp với nhau, vì thế đa số những học giả Hy Lạp từ thế kỷ thứ 4 trước Công nguyên đều nghĩ rằng Trái Đất là một hình cầu tại trung tâm vũ trụ.

Trong thế kỷ thứ 4 trước Công nguyên, hai nhà triết học Hy Lạp có nhiều ảnh hưởng đã viết các tác phẩm dựa trên mô hình địa tâm. Đó là Plato và học trò của mình, Aristotle. Theo Plato, Trái Đất hình cầu, và nằm ở trung tâm vũ trụ. Các ngôi sao và các hành tinh được gắn trên các mặt cầu quay quanh Trái Đất, với thứ thự (từ trong ra ngoài): Mặt Trăng, Mặt trời, Sao Kim, Sao Thuỷ, Sao Hoả, Sao Mộc, Sao Thổ, các ngôi sao cố định. Trong "Thần thoại Trái Đất" (myth of Er) một phần của cuốn Cộng hoà, Plato miêu tả vũ trụ như Con suốt của sự tất yếu (spindle of necessity), được chăm sóc bởi các Mỹ nhân ngư và được quay bởi ba Thần mệnh. Eudoxus xứ Cnidus, người cùng làm việc với Plato, đã phát triển một cách giải thích ít tính thần bí và khoa học hơn về sự chuyển động của các hành tinh dựa trên lời tuyên bố của Plato cho rằng toàn bộ các hiện tượng trên trời có thể được giải thích bằng một chuyển động tròn duy nhất. Aristotle đã thêm chi tiết vào hệ thống của Eudoxus. Trong hệ thống đã được phát triển đầy đủ của Aristotle, Trái Đất hình cầu nằm ở trung tâm vũ trụ. Mọi vật thể trên trời được gắn với 56 mặt cầu đồng tâm quay quanh Trái Đất. (Số lượng nhiều bởi mỗi hành tinh cần nhiều mặt cầu trong suốt). Mặt Trăng nằm trên mặt cầu gần tâm nhất. Vì thế nó thuộc địa hạt Trái Đất, khiến nó cũng không hoàn hảo, gây nên các chấm đen và phải trải qua các tuần trăng. Nó không hoàn hảo như những vật thể khác trên trời, vốn tự toả sáng bằng ánh sáng của chính mình.

Thuyết địa tâm được nhiều người tin theo bởi nó phù hợp với các quan sát thông thường. Đầu tiên, nếu Trái Đất thực sự chuyển động, thì một người trên đó phải quan sát thấy các ngôi sao cố định dời chỗ vì hiện thượng thị sai. Nói gọn, những hình dạng của các chòm sao phải thay đổi ở mức quan sát thấy trong năm. Trên thực tế, các ngôi sao ở quá xa so với Mặt trời và các hành tin tới mức chuyển động của chúng (thực sự có tồn tại) không thể quan sát thấy cho đến tận thế kỷ 19. Vì không thể quan sát thấy thị sai nên bất cứ một thuyết nào khác ngoài mô hình địa tâm đều bị bác bỏ.

Một sự quan sát có nhiều ảnh hưởng khác là Sao Kim luôn có độ sáng ổn định trong mọi khoảng thời gian "và vì thế nó luôn ở cùng một khoảng cách so với Trái Đất".[cần dẫn nguồn] Trên thực tế điều đó xảy ra bởi vì phần ánh sáng mất đi trong các tuần của nó bù trừ cho kích thước biểu kiến thay đổi theo khoảng cách của Sao Kim với Trái Đất. Những sự chống đối khác bao gồm ý tưởng do Aristotle đưa ra cho rằng những vật thể to lớn như Trái Đất theo trạng thái tự nhiên phải đứng yên và rằng phải cần có nhiều lực mới có thể làm chúng chuyển động. Một số người cũng tin rằng nếu Trái Đất quay quanh trục của nó thì không khí và các vật thể trên Trái Đất (như chim hay mây) sẽ bị bỏ lại đằng sau.

Một sai lầm lớn của các mô hình Eudoxus và Aristotle dựa trên các mặt cầu đồng thâm là họ không thể giải thích được sự thay đổi độ sáng của các hành tinh do sự biến đổi khoảng cách gây ra.