Les empires de Cyrus et d'Alexandre avaient principalement étendu vers l'Orient le domaine de la géographie : la domination romaine, qui forme la troisième grande époque de la géographie ancienne, fit principalement connaître l'Occident et le centre de l'Europe. L'Afrique carthaginoise fut décrite par Polybe à la suite des guerres puniques : les conquêtes de César dans la Gaule et les expéditions de ses successeurs dans la Grande-Bretagne et la Germanie doublèrent presque l'étendue du monde ancien. Mais la géographie mathématique semble oubliée pendant deux siècles, et la science se borne à la géographie descriptive et aux itinéraires, comme le prouvent les ouvrages de César lui-même, de Strabon, de Pline, de Pomponius Méla, de Tacite, les Périples de Denys le Périégète et d'Arrien, et les Stathmes Parthiques (stations des routes) d'Isidore de Charax : ces ouvrages étaient sans doute accompagnés de cartes itinéraires. César, et, après lui, Auguste, avaient ordonné à trois géomètres grecs, Théodote, Zénodote et Polyclète, de mesurer la surface de l'empire romain, et le gendre d'Auguste, Agrippa, avait exposé à Rome une carte du monde dont Pline fait souvent mention. C'est sans doute de cette carte que les Romains avaient extrait les itinéraires dont quelques-uns sont parvenus jusqu'à nous.

Au I^er siècle, la Germanie fut parcourue en tous sens, l'île de Bretagne conquise et la géographie de l'Europe éclaircie; comparez avec les assertions aristotéliques et vous mesurerez le progrès réalisé. En même temps, les expéditions de Petionus en Éthiopie, de Balbus dans la Phazanie (Fezzan), de Gallus en Arabie étaient très instructives. Des rapports commerciaux se nouaient par delà la Bactriane avec le pays des Sères, la Chine, qui entre enfin en contact avec l'Occident. Sous le règne d'Auguste s'accomplit une opération colossale, le relevé topographique et la mensuration de tout l'Empire. Le cosmographe Ethicus a raconté cette opération ordonnée par Jules César : en quatorze ans, cinq mois et dix jours, Zénodote mesura l'Orient; en vingt ans, huit mois et dix jours, Théodote mesura le Nord; en vingt-cinq ans, un mois et dix jours, Polyclète mesura le Midi; on cite parfois un quatrième géomètre, Didyme, qui aurait mesuré l'Occident. Commencé par l'ordre de César, ce travail fut achevé par les soins d'Agrippa, vers l'an 19 av. J.-C. Celui-ci fit construire un portique sous lequel il voulait placer la carte de l'empire romain; il rédigea des commentaires renfermant un itinéraire complet, avec indications de distances. Celles-ci étaient rapportées au fameux Milliarium aureum, la colonne d'où étaient censées partir toutes les voies militaires.

Sur les traces du Grec Strabon s'illustra le premier géographe latin, Pomponius Méla; son ouvrage est perdu ; on sait qu'il connaissait les Orcades et les Hébrides, la Scandinavie qu'il prenait pour une grande île. Peu après reprirent les navigations régulières entre la côte de l'Inde et le golfe d'Aden, favorisées par les moussons; une ambassade vint de Ceylan (Sri Lanka) voir l'empereur Claude. Les informations sur les Sères (Chinois) se précisaient; on savait qu'ils avaient des Scythes au Nord, des Indiens au Sud. Dans les Scythes, il faut décidément reconnaître les populations turco-mongoles. Néron fit explorer l'Ethiopie et envoya deux centurions à la recherche des sources du Nil; ils ne purent dépasser d'immenses marécages situés entre 9° et 7° de latitude Nord (Souddoud). Ils relevèrent très exactement les distances d'Assouan à Méroé. 

Dans l'Encyclopédie de Pline, la géographie occupe quatre livres. Il ignore Strabon, mais a compulsé presque tout le reste de la littérature géographique. Il a accumulé une masse énorme de noms, de renseignements de tout ordre. Il ajoute à ses prédécesseurs une géographie précise du Nord de la Germanie, de la Chersonèse cimbrique (Danemark) et cite l'île de Nérigos (Norvège?) où l'on s'embarque pour Thulé (Islande, îles Shetland?). Dès la fin du I^er siècle de l'ère chrétienne date le périple de la mer Erythrée, document remarquable qui décrit la côte africaine de Bérénice jusqu'au Sud du cap des Aromates (Gardafoui) à une distance de vingt-cinq jours jusqu'au port de Rhapta, près de l'île Menuthias (Pemba ou Zanzibar). Au delà l'auteur croit que l'Océan tourne vers l'Ouest et va rejoindre l'Atlantique. Il décrit ensuite la route maritime de l'Égypte à l'Inde, navigation de soixante-dix jours depuis Berénice jusqu'à Muziris (Mangalore?), notant soigneusement les stations, les distances, les accidents de la côte, les peuples, les produits de chaque contrée, ses besoins commerciaux. Il ajoute des renseignements plus vagues sur l'Inde jusqu'aux bouches du Gange, puis des indications très vagues sur ce qui est au delà : l'île de Chrysé, dernière partie du monde, habite vers l'Orient; au Nord de celle-ci les Thinae, producteurs de la soie, sur le parallèle de la Caspienne, jusqu'à laquelle se prolonge leur pays. L'empire chinois commerçait par terre (route de Bactres) ou par l'intermédiaire de l'Inde avec le monde romain. Vers la même époque, les îles Britanniques et la Germanie sont bien décrites; Tacite introduit dans l'histoire les Slaves Vendes et les Finnois. Mentionnons l'excellent périple du Pont-Euxin dressé par Arrien.

Ptolémée avait été le dernier des grands géographes anciens. Son système fut accepté par ses successeurs aussi bien dans l'aire grecque que latine; aucun n'eût été capable de recommencer un tel effort. Nous n'avons plus à citer que des manuels ou des ouvrages particuliers la description de la Grèce de Pausanias; les abrégés d'Agathémère de Pappus; le recueil anecdotique de Solin; le remaniement du Périégèse de Denys par Marcianus d'Héraclée; les poèmes d'Avienus et d'Éthicus d'Istrie, lequel eut du moins ce mérite de conserver un routier ou itinéraire de l'empire romain. Ceux de ces itinéraires qui ont été conservés et surtout la fameuse carte routière dite de Peutinger, sont très précieux pour l'étude de la géographie historique. Citons encore un périple ou stadiasme de la Méditerranée, et nous aurons une nomenclature suffisante des ouvrages conservés des géographes gréco-romains qui peuvent servir pour l'histoire de la géographie. La décadence de l'empire romain fut très rapide dans l'ordre intellectuel.

L'influence du christianisme fut contraire aux études géographiques, surtout à cause de l'attachement aux textes bibliques, rédigés par des écrivains bien moins instruits que les savants alexandrins. Lactance traite de mauvaise plaisanterie la notion des antipodes. Saint Augustin la nie également; il se contente de douter de la sphéricité de la Terre, mais refuse catégoriquement d'admettre qu'il puisse y avoir d'autres parties habitées :

« D'une part, l'Écriture dit que tous les hommes viennent d'Adam et elle ne peut mentir; d'autre part, il y a trop d'absurdité à dire que les humains auraient traversé une si vaste étendue de mer pour aller peupler cette autre partie du monde.»

Pendant tout le Moyen Âge, la substitution du principe d'autorité au rationalisme et à l'observation allait paralyser la géographie et ruiner sa base scientifique.