这种模型可以追溯到古希腊的毕达哥拉斯学派（简称“毕派”）。例如，毕派哲学家菲洛劳斯（Philolaus，约公元前470～前390）认为，宇宙的中心是一团“中心火”，地球、太阳、月亮、行星与恒星都围绕着它沿匀速圆周运行；稍晚于菲洛劳斯、活跃于约公元前400年的毕派学者希克塔斯（Hicetas，前400～前335）和厄番图（Ecphantus of Syracuse）曾提出，地球每天围绕其自轴旋转；另一位毕派天文学家H.彭提乌斯（Heraclides Ponticus，约前387～前312）还根据水星和金星的光度变化推测二者应都围绕太阳运动而非地球。不过，真正将这些观念发展成为日心说的是阿利斯塔克（Aristarchus of Samos，约前310～前230）。他假设太阳与恒星静止不动，地球与其他行星依圆周绕太阳旋转。为了避免恒星方位由于地球运动而出现明显的变化（即恒星视差），他提出恒星天球的半径应该非常大。此外，他还运用几何推理来确定太阳、月亮的大小和距离。

虽然阿利斯塔克的日心说也得到过一些学者的支持，例如塞琉古（Seleucus of Seleucia，约前190～？），但是，日心体系在相当长的时间内并不为人们所接受。这主要是因为日心体系与当时流行的亚里士多德（Aristotle，前384～前322）物理学相矛盾，以及当时的天文观测水平根本无法发现恒星视差等支持地球运动的证据。2世纪，C.托勒密（Claudius Ptolemy）在总结前人成果的基础上完成其天文学体系，并将之整理为传世巨著《至大论》。他认为，地球处于宇宙中心固定不动，太阳、月亮与行星都围绕地球运行，恒星则围绕地球周日运动。托勒密的地心体系与亚里士多德物理学非常契合，故而成为此后统治西方天文学长达1400多年的正统理论。

虽然后世也有天文学家怀疑过托勒密的地心体系，并讨论了地球绕自轴转动的可能性，包括印度和阿拉伯世界的阿耶波多（Aryabhata，476～550）、图西（Nasir al-Din al-Tusi，1201～1274），以及欧洲的奥雷姆（Nicole Oresme，约1320～1382）和尼古拉的库萨（Nicholas of Cusa，1401～1464）等。不过，直到16世纪波兰天文学家哥白尼（Nicolaus Copernicus，1473～1543）完成《天体运行论》，日心体系才真正得以重建。哥白尼经过近40年的辛勤研究，在分析过去的大量资料和自己长期观测的基础上，建立了一个完备的日心体系。与前人相比，哥白尼不仅系统讨论了日心体系的合理性与地球运动的可能性，并详细解释了他所提出的几何模型的各种细节，而且还介绍了他所采用的天文参数是如何通过观测数据得到的，并列出了大量用于计算天体位置的天文历表。他的这种论述方式与托勒密在《至大论》中论述地心体系的方式如出一辙；而在哥白尼手中，日心说也第一次由哲学性的猜想变为可以进行推算的几何天文学——尽管它的计算精度并不比托勒密的理论更加精确。

在《天体运行论》中，哥白尼认为地球并不是宇宙中心，而是一颗普通行星，太阳才是宇宙中心。与托勒密的地心体系相比，哥白尼的日心体系确实可以更好地解释一些现象。首先，在托勒密的理论中，每个行星的运动都含有一年周期的成分，但其理论无法对此作出合理的解释；而按照哥白尼的理论，行星运动的一年周期成分实际上就是地球每年绕太阳公转一周的反映。不仅如此，哥白尼的理论还可以解释内行星（水星和金星）为何会跟着太阳运转，即三者的主轮周期相同。其次，在托勒密的理论中各天体离地球的距离顺序无法确定；而在哥白尼的理论中，各大行星以及地球离太阳的距离却很自然，且它们的运行周期（即主轮周期）也可以得到完满解释：离日越远，周期就越长，没有例外。最后，在托勒密的理论中月亮与地球之间距离经常有大的变化，但月亮的亮度和视直径却并没有观测到相应的大的变化，而哥白尼的理论中则不存在这一问题；另一方面，在实际观测中，木星和土星的亮度有很大变化，托勒密的理论对此无从解释，而哥白尼的理论则可以很自然地利用它们与地球之间距离的巨大变化加以解释。

尽管如此，哥白尼的日心理论也存在其困境，尤其是那些自古以来就被提出的天文学和物理学对地动说提出了质疑。例如，如果地球真的围绕太阳运转，那么应该可以发现恒星视差。但当时没有任何人观测到过这种变化——这就是日心地动说所面临的所谓“视差悖论”。再如，如果地球真的自转，那么竖直上抛的物体就不会落回原地，而是落到起点以西，但事实并非如此——这就是日心地动说所面临的所谓“抛体悖论”。面对这样的问题，哥白尼显然还无力解答。因此，他只好选择了回避：针对前一个问题，他把恒星天球的半径加以扩大，使得日地距离与之相比可以忽略不计；而针对后一个问题，他则认为地球周围的元素都参与了周日自转。

此外，哥白尼也非常了解自己学说的宗教敏感性，因此他在正式出版《天体运行论》时采取了一些预防措施。他不仅按照当时的教会法令申请了出版许可，而且还写了一篇题献给教皇保罗三世的长序，希望通过教皇的声望和评判平息可能会招致的一切攻击。另外，奥西安德（Andreas Osiander，1498～1552）自作主张增加的序言也为《天体运行论》的流传发挥了重要的掩护作用。该序言声称书中的理论只是为了计算所提出的假说，并不能真正揭示天体运行的原因。所以，《天体运行论》出版之后几十年内，人们大多把该书当作一本纯粹的数学天文学著作，而对其中的日心体系宇宙学置之不论。例如，《天体运行论》曾在维滕堡大学得到广泛传播，莱茵霍尔德（Erasmus Reinhold，1511～1553）还根据哥白尼的模型编纂了《普鲁士天文表》；不过，维滕堡的学者对哥白尼的宇宙学则都保持了沉默。尽管如此，还是有一些人很快接受了日心说，包括意大利哲学家布鲁诺（Giordano Bruno，1548～1600）和英国人T.迪格斯（Thomas Digges，1546～1595）。此外，与维滕堡的学者对待哥白尼学说的态度不同，荷兰莱顿的学者并未把哥白尼的理论仅仅当作数学工具，而是对哥白尼的宇宙结构更感兴趣。在莱顿学者的影响下，J.P.兰斯玻治（Johan Philip Lansberge，1561～1632）甚至还尝试将日心说融入一个无所不包的基督教宇宙中。

不过，对于那些愿意从数学上接受哥白尼理论，却拒绝日心体系的学者来说，如何兼容地心体系与哥白尼学说，成为一个重要的问题。因此，很多学者开始尝试折中哥白尼学说与地心体系，包括P.维蒂希（Paul Wittich，1546～1586）、N.雷默斯（Nicolaus Reimers，1551～1600）等，而其中最具影响力者当属第谷（Tycho Brahe，1546～1601）。在第谷的体系中，太阳和月亮围绕地球运动，而五大行星则围绕太阳运动，在行星区域之外则是恒星。虽然日心说不久之后便逐渐占据了上风，但第谷的日心-地心体系后来在耶稣会天文学家等反对日心说的学者中产生了重大的影响。不仅如此，第谷关于新星与彗星的观测及其提出的日心-地心体系推动了亚里士多德宇宙学与托勒密体系的瓦解，而他多年观测太阳、月亮和五大行星得到的精确数据则帮助他的弟子开普勒（Johannes Kepler，1571～1630）发现了行星运动定律，为日心说提供了重要的论据。

开普勒经过多年研究，最终彻底摒弃了托勒密和哥白尼所使用的本轮-均轮模型。他在《新天文学》中明确指出行星运动的轨道是椭圆的，而太阳位于椭圆的一个焦点上，从而解决了行星运动速度不均匀的问题。他还试图从物理上解释行星围绕太阳运动的原因：他认为太阳与行星之间以及行星相互之间的磁力使得行星沿着椭圆形轨道围绕太阳运行。在《哥白尼天文学概要》一书中，他甚至还尝试通过他的磁力理论从数学上对行星运动定律进行证明。由于开普勒的理论可以更加精确地计算天体的位置，因此其日心理论得到了广泛传播。

与开普勒差不多同时的伽利略（Galileo Galilei，1564～1642），也是哥白尼日心说的重要传播者之一。他发表了自己对木星卫星、金星相位、月亮表面以及太阳黑子等天文现象的观测，并指出这些新发现无法与亚里士多德宇宙学和托勒密体系相符。因此，伽利略认为他的这些发现为日心说提供了直接证据。他还与反对日心说的宗教界阵营“鸽子联盟”展开激烈辩论，这场争论曾一度被提交到宗教裁判所。天主教上层人士起初并未对哥白尼的学说感到不安，但随着开普勒、伽利略等的科学活动及其对日心说的极力宣传，天主教会对哥白尼学说的态度发生了剧烈变化。1616年，哥白尼的学说受到谴责，随即哥白尼的著作被列入禁书目录。受此影响，伽利略之后沉寂了一段时间，直到1632年出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。在该书中，伽利略通过对亚里士多德宇宙学及其物理学基础的全面批判，试图为日心说提供物理学依据；尤其是他关于运动学的研究，可以解释质疑日心说的“抛体悖论”。而伽利略也因为该书的出版以及继续为哥白尼理论辩护，于1633年受到宗教裁判所的审判。

伽利略事件并没有阻止日心说在欧洲传播，越来越多的人开始接受日心说。例如，笛卡儿（René Descartes，1596～1650）在《哲学原理》中曾利用其涡漩假说解释行星围绕太阳的原因。1687年，牛顿（Isaac Newton，1642～1727）出版了《自然哲学的数学原理》。在该书中，牛顿通过他发现的运动学三大定律与万有引力定律为开普勒的行星运动定律提供了数学证明，为日心说建立了坚实的理论基础。不过，在牛顿的日心说理论中，太阳系的中心已不再是太阳的中心，而是整个太阳系的质心。严格来说，日心说也并不完全正确。正如布鲁诺所宣称的那样，太阳只是无数恒星中的一员，并非宇宙的中心。而在牛顿的理论当中，已经没有任何天体可以保持绝对静止。1725～1728年，J.布拉得雷（James Bradley，1693～1762）在观测恒星视差时意外发现了光行差，为地动说提供了直接证据。18世纪中叶开始，教廷对日心说的反对逐渐减弱，并最终于1758年将宣传日心说的著作从禁书目录中删除。1838年，德国天文学家F.W.贝塞尔（Friedrich Wilhelm Bessel，1784～1846）第一个成功测量到了恒星视差；同年，F.G.W.von 斯特鲁维（Friedrich Georg Wilhelm von Struve，1793～1864）和T.亨德森（Thomas Henderson）也观测到了恒星视差。1851年，傅科（Foucault，1819～1868）在巴黎使用傅科摆直观地演示了地球的自转。

该图片比较了哥白尼体系的顶部和第谷体系的底部