Attorno al 140 d.C. Tolomeo scrisse la sua opera principale, la Geografia che consta in otto libri, dove troviamo il suo tentativo di mappare il mondo conosciuto, fornendo le coordinate delle località principali in termini di ciò che sono essenzialmente latitudine e longitudine. Nel primo volume descrive come disegnare una mappa del mondo abitato, dà i principi di base della cartografia e considera il problema della proiezione cartografica, quella dalla sfera al piano. Descrive la costruzione dei globi ed inoltre fornisce due esempi di proiezione. Giustamente Tolomeo tiene all’identificazione di due tipi distinti di cartografia, di cui il primo è:

‹‹... un'imitazione attraverso l'illustrazione dell’intera parte conosciuta del mondo insieme alle cose che sono, in generale, ad esso relative.››

Il secondo tipo è:

‹‹... una disciplina indipendente [ che ] precisa le diverse località. ››

Nei libri II-VII della Geografia elenca longitudini e latitudini di circa 8000 località, di cui purtroppo solo poche sono corrette, e altre brevi descrizioni delle caratteristiche topografiche principali di aree più estese della Terra. Nel libro VIII effettua una divisione della mappa del mondo in ventisei mappe di aree più piccole.

La parte principale della Geografia consistite nell’esposizione di carte geografiche, ma Tolomeo sapeva che, se anche uno scrivano avesse voluto copiare con cura le carte, con poca probabilità ci sarebbe riuscito. Per questo si preoccupò che il suo lavoro contenesse i dati e le informazioni necessari affinché si potessero ridisegnare le mappe. Seguì i cartografi precedenti per quanto concerne la divisione del cerchio dell'Equatore in 360° e prese l'Equatore come base per il sistema di coordinate nord-sud. Così la linea della latitudine attraverso Rodi e le Colonne d’Ercole (l’attuale Gibilterra) era il 36° grado e questa linea divideva il mondo in due parti uguali, come anche Tolomeo sapeva. Il problema di definizione delle linee di longitudine era più difficile. Richiedeva la scelta di uno zero arbitrario ma anche una conoscenza della circonferenza della Terra per far corrispondere correttamente i gradi alle distanze. Tolomeo scelse le Isole della Fortuna (che crediamo siano le Canarie) come longitudine zero poiché era il punto più occidentale a lui conosciuto. Dopo ciò contrassegnò le intersezioni fra le linee di longitudine ed il parallelo di Rodi, considerando 400 stadi per ciascun grado.

Se Tolomeo avesse accettato come valore della circonferenza terrestre quello trovato da Eratostene (257.142 stadi), le sue coordinate sarebbero state esatte. Usò invece il valore successivamente trovato da Posidonio intorno a 100 a.C. che, anche se calcolato usando una teoria matematica corretta, era altamente inesatto. Di conseguenza il Mediterraneo, anziché coprire 42 gradi come dovrebbe, ne copriva 62 secondo le coordinate di Tolomeo.

Tolomeo usava i dati della maggior parte dei suoi predecessori, in particolare quelli di Marino di Tiro, che sulle basi del lavoro di Ipparco aveva introdotto per primo la misura della longitudine e della latitudine in gradi d’arco anziché in stadi. Tolomeo stesso ci diceva che la Geografia era basata, per quanto riguardava i contenuti, su un lavoro simile di Marino (110 d.C. ). Con la sua opera sembra avere migliorato quella di Marino (per il quale la Geografia è la sola fonte della nostra conoscenza) in molte parti. Dal I,7-17 (in cui troviamo la correzione di vari errori commessi da Marino) appare che la maggior parte del testo di Marino era una descrizione topografica dove dava, per esempio, le distanze e le direzioni tra i luoghi. Questa descrizione fu integrata da Tolomeo con elenchi di luoghi aventi la stessa durata del giorno più lungo e di altri con la stessa distanza (in ore) da un meridiano standard. Tolomeo fu probabilmente il primo ad impiegare sistematicamente liste di latitudini e longitudini. Qui, come altrove, dà prova di quanto si preoccupasse di fornire i metodi più facilmente utilizzabili anche da un lettore inesperto.

Tolomeo criticava anche il sistema di proiezione delle mappe di Marino, un sistema di coordinate rettangolari in cui il rapporto dell'unità di longitudine con quello di latitudine era 4:5. Tolomeo obbiettava che questo sistema distorceva le distanze eccetto che vicino alla latitudine di Rodi (36°). Mentre si poteva accettare tale sistema per mappe che coprivano una piccola area, per la mappa del mondo lui proponeva due alternativi metodi di proiezione (I, 21-24). Il mondo noto, secondo Tolomeo, copriva 180° in longitudine dal suo meridiano zero (quello passante attraverso le Isole della Fortuna) ed in latitudine si stende da 16;25° sud a 63° nord.