בתחום האסטרונומיה היה תלמי הראשון לטעון כי כוכבים חייבים להסתובב סביב כוכבים אחרים במעגלים מושלמים. על פי תורתו של תלמי, כדור הארץ עומד במרכז היקום וסביב לו גרמי השמיים, לפי הסדר הבא: הירח, כוכב חמה, נוגה, השמש, מאדים, צדק ושבתאי. כדי להסביר את התנועה הנראית "לאחור" של כוכבי-הלכת, טען תלמי כי כוכבי-הלכת נעים במסלול לולייני המקיף מסלול מעגלי סביב הארץ. עבור כל כוכב לכת הניח תלמי מעגל ראשי סביב הארץ (שמרכזו אינו חופף למרכז כדור הארץ) ומעגל משנה שמרכזו על היקף המעגל הראשי והכוכב נע על היקפו. תנועת הכוכב הנצפית היא לכן צירוף תנועות שני המעגלים. דגם זה אומץ על ידי הכנסייה הקתולית, וכך החזיק מעמד כ-1500 שנה. יכולת-החיזוי של הדגם הייתה בכל-זאת טובה מספיק לתצפיות בעין בלתי-מזוינת בתנועת כוכבי-הלכת, למרות שהיו בה גם כמה הנחות שגויות (כמו למשל, שהמרחק בין כדור הארץ לירח משתנה פי שניים לאורך מסלולו). על שמו של תלמי נקראו מכתש תלמי על הירח, מכתש תלמי על המאדים, האסטרואיד "4001 תלמי", והר תלמי ביבשת אנטארקטיקה