Основные астрономические и метеорологические представления Ранней империи изложил римский автор времени Августа Манилий в дидактической поэме «Астрономика». Лукреций, Витрувий, Плиний Старший, Сенека также затрагивали астрономические проблемы в своих энциклопедиях. В науке периода Империи общепринятой была точка зрения о том, что универсум вращается вокруг неподвижной Земли, занимающей центральное положение во Вселенной. Земля имеет форму шара и вращается вокруг своей оси, проходящей через центр Вселенной. Традиционного взгляда о неподвижной Земле в центре Вселенной придерживался и Клавдий Птолемей, обосновывавший это положение последовательным применением тригонометрии и всей предшествующей математики. Отвергал он и гипотезу о вращении Земли вокруг оси: многочисленные, тщательно отобранные и проанализированные им эмпирические данные в его построениях гораздо проще объяснялись геоцентрическим эпициклом, чем гелиоцентрической планетной системой.
В тесной связи с астрономическими теориями того времени была астрология, очень распространившаяся ко II в. н. э. Не только частные лица прибегали к астрологическим предсказаниям, начиная с раба и кончая императором. Воздействие астрологии испытывали философия, медицина. Минералогия, ботаника и другие науки о природе. Если Новая академия «читала основы этой науки несостоятельными, то стоики весьма ее поддерживали, не делая большой разницы между понятиями «астрология» и «астрономия». Эллинистическая персональная астрология, возникшая, вероятно, в III в. До н. э. в школе Бероса на острове Кос, не была прямым заимствованием или усовершенствованной формой вавилонской астрологии. В основе эллинистических астрологических теорий лежит идея о возможности предсказания будущих событий для определенного лица при помощи вычислений положения космических тел и знаков Зодиака в момент рождения человека. Ничего сверхъестественного в такой логике не видели, если принять во внимание, что в философски осмысляемой картине мира космос — единая замкнутая система, все части которой взаимосвязаны и взаимозависимы. Сенека, например, представлял универсум структурообразным целым уже совершившихся и еще скрытых в будущем событий (NQ, II, 3, 1). Среди восьми книг Секста Эмпирика против ученых на равных основаниях фигурирует и книга против астрологов. Астрологи нередко оказывались в одном статусе с философами, когда официальными декретами неоднократно изгонялись из Рима. Тот факт, что многие римские императоры держали при себе на официальной должности астрологов, объясняется естественным для политического деятеля стремлением правильно оценивать будущую расстановку сил, так что предсказания астролога в этом случае — своеобразная футурология на уровне знаний того времени. Массовое сознание зачастую смешивало астрологов с уличными гадателями, шарлатанами и магами, что было следствием чрезвычайного распространения религиозных и мистических верований среди низового населения империи.
Теоретическую астрономию и астрологию Клавдий Птолемей объединял с математикой, дающей более достоверное объяснение природных явлений благодаря тому, что она основывается не на непосредственном опыте, а на опыте, истолкованном с помощью математических построений, и оперирует методами арифметических и логических доказательств (Ptol. Almagest, I, 1). По Птолемею, существуют два способа предсказания посредством астрономии: первый основывается на положении о взаимообусловленной связи Солнца, Луны и других планет друг с другом и всех их с Землей (Tetrab., I, prooem.). Подробное описание этого метода и его применение Птолемей излагает в 13 книгах «Математического сборника», более известного в арабском варианте как «Альмагест». Второй способ прослеживает степень и характер влияний, оказываемых взаиморасположенными в соответствии с природной закономерностью планетами на зависимые от них явления природы. Подробному рассмотрению этой темы посвящен «Тетрабиблос» («Четверокиижие») Птолемея.
Первые две книги «Альмагеста» посвящены научному (математическому) обоснованию указанной выше темы и изложению учения о небесной сфере. В III книге излагается теория движения Солнца, и здесь Птолемей фактически следует за выводами Гиппарха, сделанными тремя столетиями ранее. Геоцентрическая теория Птолемея, привлекшая внимание ученых в более позднее время, не занимала того главенствующего положения в общей системе взглядов Птолемея, которое ей стали придавать в новое время. В IV и V книгах говорится о движении Луны, а в VI — о применении изложенных теорий для предсказаний затмений. VII и VIII книги содержат подробный перечень звезд, a последние пять книг посвящены рассмотрению движения планет.