地球的公转较之自转现象具有更加抽象的特征。自从哥白尼日心体系建立起以后，人们就试图从各种角度来证明地球的公转。例如，人们找到了地球公转的物理证据，天文观测证据，它们是地球与行星共同绕日公转的必然结果，因而也是地球公转的有力证据。
1.地心体系和日心体系
人类对于地球公转的正确认识是与太阳系的发现密切相关的。太阳系的发现是人类正确认识宇宙过程中的一次飞跃，使我们对于周围附近的宇宙空间的结构和运动有了正确的了解，对于地球上一些天文现象有了正确的理解，更重要的是人们认识到地球的绕日公转。
日月星辰东升西落，周而复始地运行着。古人看到这种现象，便认为地球是宇宙的中心，太阳、月球和所有其它的星体都绕地球转动。我国古代的盖天说和浑天说都是建立在地球中心说的基础之上的。盖天说认为地是静止不动的，天是罩在地上的盖子，地为圆拱形，天地可以相接；浑天说认为天是圆的，像个鸡蛋壳，地是圆球形的，好像蛋黄，天大地小，日月星辰附在天壳上，随天周日旋转。据此东汉的张衡制做了一个“浑天仪”，在一个圆球上刻上星体，使其绕轴转动，可以演示天体的升降，预告天体的出没。张衡曾在《浑天仪注》中说：浑圆的天地像个鸡蛋。天大而地小，天之包地，犹如蛋壳包裹着蛋黄。天壳里有水，地浮在上面。天就像车轮围绕着车轴一样，周而复始，不停地旋转。
古希腊学者亚里士多德是地球中心说的积极倡导者，他认为的运行天体是物质的实体，地是球形的，是宇宙的中心。
古代也有过地球运动的看法。成书于西汉末年的《春秋纬·无命苞》有：天左旋，地右动的相对运动观点。并且在《春秋纬·运斗枢》中进一步指出：地动则见于天象。在《尚书纬·考灵曜》一书中，有：地体虽静，而终日旋转，如人坐舟中，舟自行动，人不能知。这是明确的地球日转的概念。又说：一年之中，地有四游，冬至地上北而西三万里，夏至地上南而东复三万里，春秋二分其中矣。这是比较模糊的地球公转的概念。
公元前3世纪，古希腊哲学家阿利斯塔克不同意亚里士多德的地球是宇宙中心的观点。他认为地球每日绕自己的轴自转一周，每年沿圆周轨道绕日一周，太阳和恒星是不动的，行星和地球一样以太阳为中心，沿圆周轨道运动。他在《论日月大小和距离》一文中，应用几何学的方法，首次测量和计算了太阳、月球和地球的直径比例和相对距离。他已认识到太阳比地球大得多。他的太阳中心说走在了时代的前面。遗憾的是这些论断未被重视。在古代，中外均盛行地心说。
公元2世纪古希腊天文学家托勒密总结了前人关于行星运动的观测结果和前人关于行星运动规律的看法，提出一个完整的地心宇宙体系，简称地心体系。
托勒密地心说认为：大地是球形的，地球是宇宙的中心；太阳和月球和圆形轨道上绕地球转动，月球轨道最靠近地球，其次是水星、金星轨道，太阳轨道是第四层，火星、木星和土星轨道依次是第五、六、七层，所有的恒星都在第八层轨道上；行星在所谓“本论”上旋转，本轮的中心又在所谓“均轮”上绕地球旋转；旋转的轨道都是正圆，轨道大小各不相同，运转速度也不一样。至此，一个旋转的多层天球体系便建立了起来，它是人类正确认识太阳系的先声，是日心说的基础（如图3－25）。
由于托勒密地心体系不仅能够说明行星的运动为什么有进有退，有快有慢，而且能够用来推算行星的位置，符合当时航海的需要，特别是后来被宗教所利用。所以，它长期以来被封建宗教统治者所支持和宣传。一直到中世纪，它是最有影响的宇宙学说。
1543年，波兰天文学家哥白尼发表了一部光辉著作——《天体运行论》，在这部具有历史意义的著作里，哥白尼提出了一个新的宇宙体系——太阳中心说，简称为日心体系。
哥白尼日心说认为：地球不是宇宙的中心，太阳才是宇宙的中心；所有的行星都是沿圆形轨道绕着太阳旋转，而不是绕地球旋转；地球只是一颗普通的行星，和其它行星一样一起绕太阳公转；日月星辰的东升西落是地球自转的反映，地球每天自转一周，天穹实际上是不动的；月球是地球的卫星，每月绕地球一周，同时也跟着地球绕太阳公转；恒星离地球比太阳远得多（如图3－26）。
虽然，哥白尼日心体系也有不少不足，如他认为太阳是宇宙的中心，行星运动的轨道都是完美的正圆等。但是，哥白尼日心体系一开始就显出了它的优越性。它的威力不仅在于它的充分有力的证据、体系的协调性和完美性，而且在于，按照这个体系计算出来的行星位置，比繁琐的地心体系的本轮方法算出来的要精确得多。（到了中世纪，用托勒密地心体系来计算行星的位置，需要在本轮上再加八十多重小本轮，才能与实际观测到的行星位置勉强符合。这种计算是相当繁琐的）。同时，还可以说明四季的成因等过去不能理解的许多天文现象。
哥白尼日心体系是人类认识史上一次伟大的革命，之后，意大利物理学家、天文学家伽利略首次利用望远镜观测到了木星的卫星，为日心体系提供了新的论据。德国天文学家开普勒用丹麦天文学家第谷和他自己的观测结果，进行了大量的分析和计算总结出行星运动的三条重要定律，更准确地描述了日心体系。17世纪末，牛顿总结出万有引力定律，回答了行星为什么要这样运动的问题，为天体力学奠定了坚实的基础。1848年根据理论推算，发现了海王星，天体力学的这一成就，成了日心说取得胜利的重要标志。
哥白尼之后，天文学大踏步地发展，才有今天人们对于太阳系以及对宇宙的正确认识，人们才真正地认识了地球的公转，也找到了许多证据证明这种运动。