巨著《天文學大成》十三卷是當時天文學的百科全書，直到開普勒的時代，都是天文學家的必讀書籍。《地理學指南》八卷，是他所繪的世界地圖的說明書，其中也討論到天文學原則。他還著有《光學》五卷，其中第一卷講述眼與光的關係，第二卷說明可見條件、雙眼效應，第三卷講平麵鏡與曲麵鏡的反射及太陽中午與早晚的視徑大小問題，第五卷試圖找出折射定律，並描述了他的實驗，討論了大氣折射現象。此外，尚有年代學和占星學方麵的著作等。
在古老的宇宙觀中，人們把天看成是一個蓋子，地是一塊平板，平板就由柱子支撐著。
在公元前四到三世紀，對於天體的運動，希臘人有兩種不同的看法：一種以歐多克斯為代表，他從幾何的角度解釋天體的運動，把天上複雜的周期現象，分解為若幹個簡單的周期運動；他又給每一種簡單的周期運動指定一個圓周軌道，或者是一個球形的殼層，他認為天體都在以地球為中心的圓周上做勻速圓周運動，並且用二十七個球層來解釋天體的運動，到了亞裏士多德時，又將球層增加到五十六個。
另一種以阿利斯塔克為代表，他認為地球每天在自己的軸上自轉，每年沿圓周軌道饒日一周，太陽和恒星都是不動的，而行星則以太陽為中心沿圓周運動。但阿利斯塔克的見解當時沒有人表示理解或接受，因為這與人們肉眼看到的表觀景象不同。
托勒密於公元二世紀，提出了自己的宇宙結構學說，即“地心說”。其實，地心說是亞裏士多德的首創，他認為宇宙的運動是由上帝推動的。他說，宇宙是一個有限的球體，分為天地兩層，地球位於宇宙中心，所以日月圍繞地球運行，物體總是落向地麵。
地球之外有9個等距天層，由裏到外的排列次序是：月球天、水星天、金星天、太陽天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原動力天，此外空無一物。各個天層自己不會動，上帝推動了恒星天層，恒星天層才帶動了所有的天層運動。人居住的地球，靜靜地屹立在宇宙的中心。
托勒密全麵繼承了亞裏士多德的地心說，並利用前人積累和他自己長期觀測得到的數據，寫成了8卷本的《偉大論》。在書中，他把亞裏士多德的9層天擴大為11層，把原動力天改為晶瑩天，又往外添加了最高天和淨火天。
托勒密設想，各行星都繞著一個較小的圓周上運動，而每個圓的圓心則在以地球為中心的圓周上運動。他把繞地球的那個圓叫“均輪”，每個小圓叫“本輪”。同時假設地球並不恰好在均輪的中心，而偏開一定的距離，均輪是一些偏心圓；日月行星除作上述軌道運行外，還與眾恒星一起，每天繞地球轉動一周。托勒密這個不反映宇宙實際結構的數學圖景，卻較為完滿的解釋了當時觀測到的行星運動情況，並取得了航海上的實用價值，從而被人們廣為信奉。
在討論托勒密的曆史功績及影響時，不能不先談到一些很容易使人誤入歧途的成見。這些成見並非學術研究所得出的成果，而是與某些特定時期的宣傳活動密切結合在一起。因而廣泛流傳，其中比較重要的有如下兩種。