在古代，由于符合人们的直观感受，无论在东方还是西方，地心说都居主导。在西方，由于地心说与基督教《圣经》教义相符，公元二世纪的古罗马著名学者托勒密的地心说在长达一千多年的时间里占据统治地位。托勒密的著作《天文学大成》直到16世纪末，都是天文学家的必读书籍。托勒密的地心说虽然是错误的，但它仍然是天文学发展过程中的重要节点之一，是以托勒密为代表的大批学者的智慧结晶。如：正确地认为地球是“球体”；可以准确预测日食和月食；为了解释行星的逆行，引入了“本轮”和“均轮”的概念，甚至还有“轮上轮”，这样能够大致预测五大行星的运动位置，这在当时的科学条件下，已经是相当精细了。
但是，到了中世纪后期，随着观测仪器的不断改进，行星的位置和运动测量越来越精确，天文学家们观测到的行星实际位置同地心说模型的计算结果的偏差越发明显。用增加本轮的方法来补救地心说愈发困难，且效果不佳。这不能不使人怀疑地心说的正确性了。到了16世纪，哥白尼在持日心地动观的古希腊先辈（主要是阿里斯塔克斯）和同时代学者的基础上，终于创立了“日心说”。
哥白尼坚信宇宙与自然是美的，而美的东西一定是简单与和谐的。托勒密的地心说描述的宇宙图景与他的信念不一致。哥白尼提出，行星和地球绕太阳做匀速圆周运动，只有月球绕地球运行。由于地球的自转，我们看到了太阳、月球和众星每天由东向西的运动。这个理论也解释了行星逆行等许多现象。
虽然哥白尼在1513年前后就确信了自己的日心说，但由于害怕天主教会的惩罚，直到三十年后的1543年，哥白尼在生命的黄昏时刻，其著作《天体运行论》才正式出版，将自己的思想公诸于世。《天体运行论》出版后七十年间，很少引起人们的注意（这与1859年达尔文的著作《物种起源》出版当日就被抢购一空的盛况形成了鲜明对比）。后来布鲁诺和伽利略公开宣传日心说，危及了教会的统治，罗马教廷才于公元1616年把《天体运行论》列为禁书。
虽然哥白尼的日心说并不完全准确，但无疑是人类科学史上的一次革命，使天文学从陈旧科学观和宗教错误神学的束缚下解放出来。哥白尼是近代科学的伟大先驱。
1608年荷兰米德尔堡眼镜师汉斯·李波尔造出了世界上第一架望远镜。1609年，伽利略接触到望远镜后，以天才科学家的敏锐，立即意识到望远镜可以用于天文观测，于是很快自制了世界上第一架天文望远镜。通过望远镜观察他发现了围绕木星转动的“月亮”（即木星的四颗卫星），进一步表明地球不是所有天体运动的中心。这一发现为地心宇宙论的棺木上敲下了最后一颗钉。
伽利略对科学的贡献远不止于此，他的代表作品《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》和《关于两门新科学的对话》对天文学、物理学、数学和哲学的发展有重要贡献。“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙”。
伽利略的研究成果对牛顿有很大启发。如：伽利略对运动基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究并给出了严格的数学表达式。尤其是加速度概念的提出，在力学史上是一个里程碑。他第一次提出惯性参考系（惯性系）的概念，被爱因斯坦称为伽利略相对性原理。这些为牛顿正式提出牛顿第一定律、牛顿第二定律奠定了基础。
伽利略十分重视观察和实验的作用，他善于在观测结果的基础上提出假设，运用数学工具进行演绎推理，开科学实验实验之先河，开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学，因此被称为“近代科学之父”。
与伽利略同时代的德国（当时是神圣罗马帝国）科学家开普勒，也为日心说的发展和巩固做出了重要贡献。开普勒相信哥白尼的学说，所以开始时他按行星绕太阳做匀速圆周运动的观点来思考问题。在他对火星轨道的研究中，多次尝试所得结果都与丹麦著名天文学家第谷的观测数据有至少8′的误差，而公认的第谷观测误差不超过2′。开普勒对第谷数据的精确性深信不疑，他猜测，这不容忽视的8′也许正是因为行星的运动并非匀速圆周运动。他经过多年的尝试性计算，证实了自己的猜测，并于1609年和1619年发表了行星运动的三大定律，因而被称为“天上的立法者”。行星运动的三大定律对万有引力定律的提出提供了重要的启示和理论基础。开普勒和伽利略一道，为牛顿经典力学的创建做出了重要的奠基性的贡献。
1661年，牛顿进入剑桥大学后，喜欢阅读伽利略、哥白尼和开普勒等天文学家的著作。1665年，他开始研究微积分学。同年，大学为了预防伦敦大瘟疫而关闭了。在此后两年里，牛顿在家中继续研究微积分学、光学和万有引力定律。尽管取得了诸多重大发现，但牛顿发表的论著并不多。直到1687年，在埃德蒙·哈雷（大名鼎鼎的哈雷彗星的命名就取自其姓氏）的鼓励和支持下才出版了著作《自然哲学的数学原理》。该书阐述了三大运动定律和万有引力定律，从而使经典力学成为一个完整的理论体系。牛顿因此被誉为“近代物理学之父”。
牛顿对数学的贡献也是巨大的，是古往今来世界四大数学家之一（另外三位是阿基米德、欧拉和高斯）。微积分的创立是牛顿最卓越的数学成就。17世纪以来，原有的几何和代数已难以解决当时生产和自然科学所提出的许多新问题，例如：如何求出物体的瞬时速度与加速度？如何求曲线的切线及曲线长度（行星路程）、矢径扫过的面积、极大极小值（如近日点、远日点、最大射程等）、体积、重心、引力等等。牛顿为解决运动问题，才创立这种和物理概念直接联系的数学理论的，将自古希腊以来求解无限小问题的各种技巧统一为两类普通的算法——微分和积分，并确立了这两类运算的互逆关系，从而完成了微积分发明中最关键的一步。微积分的出现，使数学发展出了几何与代数以外的另一重要分支——数学分析。这为近代科学发展提供了最有效的工具，开辟了数学上的一个新纪元。同时代的数学家莱布尼茨（莱布尼茨虽然研究微积分晚于牛顿，但其早于牛顿发表了微积分论著，因此，通常认为两人独立发明了微积分）曾写道：“从世界的开始直到牛顿生活的时代为止，对数学发展的贡献绝大部分是牛顿做出的。”
本文以天文学为第一视角概述了近代科学的发展。从《天体运行论》到《自然哲学的数学原理》，历经一百四十多年，在这期间，除哥白尼、伽利略、开普勒和牛顿这些优秀代表人物之外，还有各学科的许多科学家做出了杰出贡献，他们的不懈努力使近代科学从萌芽走向成熟，给18世纪下半叶发轫的工业革命以巨大的推动作用。