托勒密在该书中通过系统的几何学证明，建立起宇宙地心体系，即我们通常所说的地心说。这部著作最初用古希腊文写成，后来流传到了阿拉伯人手中。827年，该书被译成阿拉伯文。12世纪后半期传入欧洲，被转译成拉丁文。元代时该书即传入中国，但直到明末，才在徐光启等人编写的《崇祯历书》中有简要介绍。
《天文学大成》共13卷，分别阐述地和天的概念，基本观测事实和数学基础。书中论证地为球形，居于宇宙中心，静止不动，其他天体均围绕地球运动；还叙述了太阳、月亮、行星运动规律，如何推算日食、月食，确定行星位置等。在《天文学大成》中托勒密总结并发展了前人的学说，建立了宇宙地心体系。
这一体系的要点是：1。 地球位于宇宙中心静止不动。2。 每个行星都在一个称为“本轮”的小圆形托勒密画像轨道上匀速转动，本轮中心在称为“均轮”的大圆轨道上绕地球勻速转动，但地球不是在均轮圆心，而是同圆心有一段距离。他用这两种运动的复合来解释行星运动中的“顺行”、“逆行”、“合”、“留”等现象。
1。 水星和金星的本轮中心位于地球与太阳的连线上，本轮中心在均轮上一年转一周；火星、木星、土星到它们各自的本轮中心的直线总是与地球一太阳连线平行，这三颗行星每年绕其本轮中心转一周。2。 恒星都位于被称为“恒星天”的固体壳层上。日、月、行星除上述运动外，还与“恒星天”一起，每天绕地球转一周，于是各种天体每天都要东升西落一次。
托勒密适当地选择了各个均轮与本轮的半径的比率、行星在本轮和均轮上的运动速度以及本轮平面与均轮平面的交角，使得按照这一体系推算的行星位置与观测相合。在当时观察精度不高的情况下，地心体系大致能解释行星的视运动，并据此编出了行星的星历表。按照这个理论预报日食、月食准确度达到一两个小时之内。
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