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地理科学在先秦时期奠定根底之后，秦皇汉武时期进入了整个系统的构成时期。这是一个极端重要的时期，是一个轰轰烈烈的大建树、大收成时期。
一、天学理论
汉代的天体结构理论，首要有宣夜说、盖天说、浑天说三家。
1.宣夜说
这是一个很有特征、很有见地的学说。
这个学说的创始人是谁，现已不得而知了。传下这个学说的，是这位创始人的学生棗担任秘书郎的郄萌。
据《晋书·地理志》记载，郄萌曾听他的老师说：天空是一个没有任何物质的空间，高远得一望无垠。人们眼望上天一片苍莽，似乎是有色彩的。这就像是很远处的黄色山峦，可人们远望时看到的却是一片苍翠;又像是仰望千仞的深谷，一片乌黑。但苍翠与乌黑都并非它们的本性。日月星斗这些天体在一望无垠的天空中自由地飘浮，没有任何的牵系，全部运动都由气来决议。
这个学说的超卓之处，在于论述了世界的无限性，否定了虚拟天壳的存在，这是很了不得的。但它对日月星斗等天体的运转规则没有详细的论述，更没有可供地理学家们运用的数学形式。所以，天体的运动就底子无序可言，这个学说也就失去了有用的价值。
所以，尽管这个学说充满了光荣，但这光荣被它的缺乏掩盖了，在其时难为世人欣赏。
2.盖天说
产生于春秋战国时期的天圆地方的盖天说，后来又有许多的改变。特别是关于天壳的形状，产生了三种不同的说法：一说天如车盖;一说天形如笠;一说天如倚车盖。但这些都是非必须的，要害是完善了一整套的数学形式。
盖天说的数学形式记载在《周髀算经》一书中，它描绘的太阳运动轨道，集中体现为七衡六间图。
盖天说的天体结构与数学形式，其实并不怎么样。它仅仅前期的一个学说，尽管汉代还有人为之修修补补，但毕竟现已式微了。特别是西汉末年闻名学者扬雄提出了难盖天八事今后，信从盖天说的人就更少了。
3.浑天说
种种的痕迹显现，浑天说也应该是一种较早的学说。汉代是浑天说敏捷兴起并获得主导方位的年代。在这个年代里，建议浑天说的人和文献许多，但现在能流传下来的却现已很少。学术界公推的代表说法，是张衡的《浑天仪图注》。尽管这本书是否真是张衡所作还有争议，但书中所论述的的确可以作为汉代浑天说的代表性见地。
《浑天仪图注》中所说的浑天说是这样一派现象：
世界就像一个鸡蛋，天壳浑圆而包裹在外，大地好像蛋黄而在这内里，天大而地小。天与地都浮在水上。天凭着气而不掉落，地浮在水上而不掉落。
这是一个前期的浑天说，到了后来，又有学者把天壳内半是气半是水改为满是气，构成了晚期的浑天说。
浑天说在地理学界受人注视的是它的数学形式：
周天365□度，大地182□度浮在水上，182□度沉于水下。北极高出地36度，南极入地36度。赤道是与极轴笔直，横截天球为两半，黄、赤道的交角为24度。黄道上的夏至点去极67□度，冬至点去极115□度。这些数值与现代的准确值十分挨近(现代周天度数为360度，两相折算，各项数值都与现代值极端挨近)，这就使浑天说在古代建立起了独尊的方位。
不管是宣夜说、盖天说，仍是浑天说，从本质上来说都是思辨性的，而不是实证性的，这是由于古代时期的客观条件所决议的。但就在这思辨之中，仍然体现出了古代学者们的实践观测效果与高度才智的思辨才干。
二、浑天仪器
汉代地理科学的丰硕效果，既得益于地理仪器的前进，一起也包括这些地理仪器在内。
西汉初年，为了制定太初历，由落下闳对原有的浑天仪作了改善，并用它从头测量了二十八宿的距度。
汉宣帝时，耿寿昌创制出了榜首架浑象仪器。
东汉永元四年(公元92年)，民间地理学家傅安在传统的浑仪上添加了一道黄道环。这一改善引起了闻名学者贾逵的注重，他在永元十五年(公元103年)掌管制作浑仪时，吸取了这个效果，并特别命名为太史黄道铜仪。这时期地理仪器制作的最高峰，是张衡所制的水运浑象。