Erste Aufzeichnungen von mythischen Kosmologien sind aus China (I Ging, Buch der Wandlungen) aus dem 3. Jahrtausend vor Chr. und später aus Babylon (Enuma Elish) und der vorionischen Zeit (Theogonie des Hesiod) bekannt. Die babylonischen Mythen - welche vermutlich auf ältere sumerische Mythen zurückgehen und ihrerseits wieder Vorlage für die christliche Genesis sein dürften - und Himmelsbeobachtungen haben wahrscheinlich auch die spätere griechischen kosmologischen Weltentwürfe beeinflusst und sind damit Ausgangspunkt der abendländischen bzw. der heutigen wissenschaftlichen Kosmologie.

Während die frühen Kosmologien noch weitgehend mythischen Charakter hatten, beginnt bei den griechschen Denkern Thales von Milet, vor allem aber bei Anaximander (6. Jhd. vor Christus), der Prozess der Rationalisierung. Waren frühere mythologische Kosmologien rein beschreibend, ohne nach kausalen Zusammenhängen zu suchen, so entwirft Anaximander erstmals ein rationales Weltbild welches auf gesetzmößigen kausalen Zusammenhängen basiert und in dem die Himmelobjekte keine Götter mehr sind, sondern physikalischer Natur. In die gleiche Richtung gehen die kosmologischen Entwürfe der Atomisten Demokrit, Anaxagaras.

Eine weitere wichtige Entwicklung ist das erste historisch überlieferte System, in dem die Erde nicht im Zentrum steht und von kugelförmiger Gestalt ist, das von Philolaos, einem Schüler von Pythagoras, im 5./4. Jhd. entworfen wurde.

Im Gegensatz dazu bedeutet die Kosmologie, die Platon (5/4.Jhd.v.Chr.) im Timaios entwirft, wieder einen Schritt zurück zu mythologischen Vorstellungen, indem er die Himmelsobjekte wieder als von personalen, mit Verstand ausgerüsteten göttliche Wesen annimmt. Die Erde war in Platons Vorstellung eine Kugel, die seiner Vorstellung nach im Zentrum des Kosmos ruhte. Zwar drängt Platons Schüler Aristoteles in seiner Kosmologie die Auffassung Platons von der göttlichen Natur der Himmelsobjekte wieder zurück, ohne jedoch ganz zu einer rationalen Kosmologie zurückzukehren. Die Planeten und die Sonne selbst sind bei ihm keine göttlichen Wesen, deren Bewegungen werden jedoch von einem "ersten unbewegten Beweger" hervorgerufen.

Eudoxos von Knidos entwirft Anfang des 4. Jahrhunderts ein Sphärenmodell, das von Kallippos weiterentwickelt wurde und erstmals die retrograden Schleifenbewegungen der Planeten beschreiben konnte und das sowohl Aristoteles als auch das Ptolemaische Weltbild beeinflussten. Messungen von Eratosthenes, der im 3. Jahrhundert vor Christus den Umfang der Erde mit guter Genauigkeit bestimmte, und auch von Aristyllus und Timocharis zeigten jedoch Abweichungen der Planetenbewegungen von den nach Eudoxos" Methode berechneten Positionen. Apollonios von Perge entwickelt im 3. Jahrhundert vor Christus eine Methode der Berechnung von Planetenbahnen mithilfe von Epizykeln, d.h er lässt Kreisbewegungen der Planeten zu, deren Mittelpunkt selbst wieder auf einer Kreisbahn liegt.

Neben den Pythagoreern, welche ihre Kosmologie mit bewegter Erde weiterentwickelten, vertrat Heraklides (4.Jhd.v.Chr.) ein zwar geozenrisches Weltbild, gemäß dem sich die Erde aber erstmals in 24 Stunden einmal um die Achse drehte. Aristarch von Samos (3/2 Jhd.v.Chr) vertrat ein heliozentrisches Weltmodell, welches sich allerdings nicht durchsetzen konnte, und weswegen er der Gottlosigkeit beschuldigt wurde.

Hipparch von Nikaia entwickelte im 2ten vorchristlichen Jahrhundert Beobachtunginstrumente deren Bedeutung für die astronomische Beobachtung erst später, durch die Entwicklung des Fernrohrs, übertroffen wurde.

Ptolemaios (2.Jhd.n.Chr.) beschrieb im Almagest, einem sehr umfangreichen Werk, eine geozentrische Kosmologie, welche mit den meisten Beobachtungen seiner Zeit in Einklang zu bringen war und bis zur Durchsetzung des Kopernikanischen Weltbildes allgemein anerkannt wurde.

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