古希腊人为制图业做出了不可估量的贡献。约公元前600至前200年之间，即伟大的古典希腊时期，许多爱奥尼亚哲学家和数学家都积极参与过地图制作的理论而非实践工作，并为其后历代的西方绘图者打下了基础。希腊人的贡献不可忽视：例如，他们第一次提出了世界是个球体。
地球的形状是一千多年来人们都在思索的一个问题。巴比伦人认为地球是个漂浮的圆形平台，四周环绕着海洋；古埃及人则认为世界的形状像鸡蛋。泰利斯(Thales)的阿那克西曼德(Anaximander，约公元前611-前546年)——后来被希腊人冠以希腊“制图第一人”的称号——可能认为世界是圆形的，但没有任何被认为是他画的世界地图的细节保留下来。数学家毕达哥拉斯(Pythagoras，约公元前588—前500年)设想地球是一个正球体，埃里亚(Elea，意大利南部城市)的巴门尼德(Parmenides，生于公元前515年左右)又将球体分为五个区:一个热带、两个温带和两个寒带。
埃拉多塞( Eratosthenes，公元前276—前194年)为当时的制图学作出了巨大的贡献。他是一个希腊人，被埃及法老托勒密三世幼厄格特(Euergetes)任命为他儿子的导师，随后又被任命为亚历山大图书馆的馆长。他也许是第一个测量地球周长的人。测量结果惊人地准确，只是因为他相信了毕达哥拉斯关于地球是一个正球体的说法才出现了误差。其实，地球是个略扁的球体。
由于缺乏第一手资料，我们很难对古希腊人在制图学方面的贡献作一个全面的衡量。如果有的话，也是极少数创作于那个时期的地图被保存了下来，这在很大程度上是因为那些地图都被绘制在易损坏或可再利用的材料上。通常地图都被画在木头、羊皮纸、莎草纸或者布上，偶尔也会被刻在青铜上。那些保存下来的地图大部分都是中世纪的复制品。
然而，并非仅仅是地图失传了。例如，埃拉多塞写的两部著作《地球的测量方法》( Measurement of the Earth)和《地理学》( Geographica)概述了他推论出的地球圆周的测量方法，并描述了怎样去绘制一张世界地图，但它们都已遗失。幸运的是，像希罗多德( Herodotus，约公元前495—前425年)——对地理学非常感兴趣的一个历史学家——和斯特拉博( Strabo，约公元前64—公元21年)这些人的文章保留了下来，帮我们大致了解了早期的希腊绘图者和他们的成就。希罗多德可能是西方文学史上第一个明确提到地图的作家，在他的《历史》( Histories)一书中写道:“有一块铜板上刻着整个世界和它所有的河流与海洋。”斯特拉博的著作《地理学》(Geographica)有十七卷，它不仅包含了对早期的地理学作家和制图者的翔实评论，而且还向我们提供了当时已知世界的一幅生动的文字画面。
只有通过斯特拉博和当时的另一个希腊学者克莱奥迈季斯( Cleomedes)的记述，我们对埃拉多塞所绘制的地图才有所了解，从中可以得知他将一幅世界地图呈献给了埃及皇室，该图是按比例绘制世界的一次尝试。此图使用了正交投影，已知的世界被拉成了一个平面，这样纬度和经度之间就会形成一个直角。该图对希腊和罗马的制图师影响深远，甚至还影响到以后的学者，尽管他们认为有比埃拉多塞和用平行线和垂直线构成正交投影网格更加科学的划分世界的方法。
克劳迪乌斯·托勒梅斯(Claudius Ptolemaeus)，就是我们今天所熟知的托勒密，他生活于约公元90至168年之间。托勒密的名字是罗马名字，但他名字的中间却是马其顿王朝的名字，该王朝从亚历山大大帝开始就一直统治着埃及，直到它被罗马征服才结束。关于托勒密的生活我们知之甚少，一般认为他在上埃及(Upper Egypt)出生长大的，但他成年之后的大部分时光都是在亚历山大度过的，那个以其图书馆而闻名的港口城市当时已经成了希腊世界的文化之都。
托勒密在他的著作《天文学大成》(Almagest)中为其有关地球的描述建立了数学基础,并开始编纂他的巨著八卷的《地理学导读》(Geographie Hyphegesis)，即现在所熟知的《地理学》(Geography)。这部著作既论述了地图的数学解析(在一个平面上再现球体的解决方案)，又是一部地名词典，收录了8000个地名和地貌特征以及它们的经纬坐标。坐标系可以把各个地方按照天文观测法测出的实际位置画在地图上。该著作的第卷是那篇数学论述，二至七卷是坐标系表格，因此它相当于一部以数学为基础的地图编辑说明。
托勒密写道，绘图师的首要任务是按比例测量世界：地理学的任务是按恰当的比例去测量整个世界，就像测量人的头部比例一样精确。
托勒密运用了两种地图投影：一种是圆锥投影，就是将平行的纬度线画成同心的圆弧；另一种是伪圆锥投影(pseudomonic projection)，就是将经度画成环形而不是直线。他的地图上北下南。《地理学》的第八卷据说收录了个别地区的地图：10幅欧洲地图，4幅非洲地图和12幅亚洲地图。但是这些图无一传世，所以关于托勒密是真的画了他所说的这些图，还是仅仅介绍了怎样编纂它们，学者们的意见难以统一。真正保存下来的是该著作的复制品——没有附图，并于9世纪被译成了阿拉伯文；后来又流传到拜占庭(Byzantium)，在那里地图被绘制了出来，但直至1406年这些图才传入拉丁语系的西方世界。从此，并且时至今日，托勒密绘制地图的理论都主宰着制图学，特别是地形图和世界地图的绘制。
如果说希腊的制图者为随后的西方制图学提供了理论基础，那么罗马的制图者的制图工作则更务实。他们对精确的数学计算关注甚少，更注重以适合其政治，军事或行政管理的最佳方式来传达信息。
罗马最早的世界地图可能是尤利乌斯·恺撒( Julius Caesar，公元前100前44年)下令制作的，但他生前没能目睹该图竣工。公元前44年，就是他被暗杀的那一年，他让四位居住在罗马的希腊制图者来勘测当时的已知世界。恺撒去世后，这项历时三十多年的工作由军事将领马库斯·维皮萨尼乌斯·阿格里帕(公元前64—前12年)接手，他是年轻的奥古斯都( Augustus，公元前63—前14年)——即屋大维( Octavian)——争当恺撒继承人的最早的支持者之一。尽管他也没能目睹地图测绘工作的完工——奥古斯都接管了收尾部分的监管工作，但该图被归在他的名下是为了纪念他对奥古斯都和罗马帝国所作的贡献。
奥古斯都对世界地图的渴望就像他对地理学和其帝国不断扩张的势力范围的兴趣一样，也是政治谋略的产物。他致力于在南欧和北非建立新的殖民地，以供内战遗兵居住。他打算在罗马公开展出的这样一幅地图，会呈现出这些殖民地的位置。奥古斯都还决心在他所统治的不同种族的人民中建立起罗马帝国的仁爱形象，他也许意识到阿格里帕的地图是强化这种形象的有力的宣传工具。当它最终被展出的时候[它是被刻在或画在大理石上，并被固定在拉塔大街(Via Lata)上一处柱廊的墙上]，人们一眼就可以看到帝国的辽阔疆域。它可能是长方形的，上北下南。该图以及在罗马帝国其他城市可能展出过的副本都没能保存下来。然而，在老普林尼的名著《自然史》中有关于该图内容的详细描述，但不能确定普林尼是否真的见过它，或仅是依据阿格里帕所写的地图说明。
虽然出自罗马早期的地图凤毛麟角，但显然制图业从一开始就以精确、详细的土地勘测为主旨。通常，所有的地图都有两个副本：一本归罗马的国家档案局，另一本归地方政府。因为罗马人的统治扩展到已知世界的大部分领域，所以这些测量工作变得前所未有的重要。被占领地分给了退伍军人作为财产，以达到统治该地区的目的。土地被划分成长方形——在城镇，被划分成大小不一的街区；在乡村则以100平方米的大小来划分——是建立有效管理体系的基本前提。
关于如何实施这种测量的教科书在公元前1世纪就出现了；现存已知最早的罗马测绘地图可追溯至公元前167—前164年。约公元350年，最重要的测绘地图被收集在《土地丈量者的[文献]记载》(Corpus Agrimensarum)中。最初的手稿写在莎草纸上，早已荡然无存但绘于公元800年的一件复制品却非常
精确。直到5世纪晚期西罗马帝国灭亡，测量工作对罗马的制图业来说一直都至关重要。
罗马的绘图师同样关注城市地图的绘制，一个杰出的典范就是《罗马城市图》（Forma Urbis Romae)——出奇详细的一幅罗马测绘地图——刻在150块大理石板上，制作于约公元203-208年间，即塞普蒂米乌斯·塞外拉斯( Septimius Severus)在位期间。该图是不是罗马第一幅大比例尺地图还不能确定，因为有证据表明，早在公元74年，当时的皇帝韦斯巴芗(Vespasian)和他的儿子蒂图斯(Titus)就已经下令测绘这座城市了。然而，正如我们从现存的约1200块碎片中所领略到的那样，《罗马城市图》的确具有气势磅礴的尺幅。
该图成品有18米×13米大，被悬挂在附属于韦斯巴芗和平神庙的图书馆的外墙上，公元191年的一场火灾后，塞普蒂米乌斯·塞外拉斯下令重建了这座庙宇。该图的目的简单明了：通过帝国首都的雄伟和恢弘的规模而令观者对它心怀敬畏。详尽的绘制手法把这座城市的每一处公共和私人建筑都精确地记录了下来。地图以近似于东南方向为方位坐标，以卡彼托山(Capitoline Hill)为中心。平均比例尺大约为1:300，但有些公共建筑被不合比例地放大了，以突显其重要性；出于同样的原因，某些神庙被涂成了红色。
“条条大路通罗马”这句俗语并不完全正确，但罗马人是古典世界卓越的筑路者却不假。尽管罗马的道路系统相当复杂，旅行者们还是依靠口头相传的信息和当地的向导来识别方向。一些人可能已经获取了旅游指南：即从起点开始按照正确的顺序排列下去的串地名。《波伊廷格地图》是一个绘制于13世纪的罗马路线图的复制品，原作绘于4世纪。该图汇集了许多旅行者的行进路线，图上大部分城镇的名字都是夺格或宾格的形式(“从罗马”或者“到罗马”)，这表明它们节选自从一个地方到另一个地方的路线书面说明也许是某个人忽略了时代的差异而收集了所有能找到的路线并绘制了该图，而这又是出于虚荣心——仅仅为了展览而已。
该图以奥古斯堡的一个古物收藏家康拉德·波伊廷格( Konrad Peutinger，465-1547年)的名字来命名，是他在1508年从一个名叫康拉德·比克尔( KonradBickel)的图书馆馆长那里继承过来的。比克尔不清楚此图的出处，但波伊廷格意识到了它的价值，并非常推崇它作为罗马世界的独特记载的重要性。该图震惊世人的是它奇怪的尺寸和形状，它由11张羊皮纸组成——第12张可能展示了西班牙、葡萄牙和大不列颠的西部地区，但早已丢失，它的总宽度大约是高度的20倍。它们没有统一的形状和比例尺,使得地图的南北距过近，而东西距又显得过远。该图的奇怪尺寸可能是因为作于4世纪的那张地图的原稿是更早些时候的一幅莎草纸图卷的复制品，虽然那种图卷可能会相当长，但它们的宽度是有限制的。
此图囊括了罗马帝国全境、近东、印度的恒河流域、斯里兰卡，甚至还提到了中国。图中记录了不少于555座城市和3500处其他地区的名字。道路由连续的线条标出，上面还有标明两地距离的数字。制图者所采用的标记体系极其精细，从城镇到重要的别墅、神庙、浴场、谷仓、灯塔，每一处都作了标记。
关于拜占庭在制图史上的地位，还没有被系统地研究过，但是，拜占庭无疑为保护人类知识作出过卓越的贡献。例如托勒密的著作就是通过拜占庭传到中世纪晚期的西方的。也正是通过拜占庭的世界，我们了解到一个关于地球构造的更为奇特的解释。科斯莫思·因迪奥普鲁斯得( Cosmos Indiopleustes，公元540年在世)是一个来自亚历山大港的游历甚广的商人——他的姓暗示出他最远可能到过印度——这成就了他后来的十二卷《基督教地形学》( Christian Topography)和其他两本书，但那两本书已失传。科斯莫思认为地球是平整的长方形，上面罩着一个圆顶或盒子，这完全是他自己的想法，并没有得到同时代的人的认可。《基督教地形学》的副本完成于拜占庭时期，但制作动机更多的是出于对它的好奇而不是信服。西欧对其著作的兴趣也仅仅始于17世纪，而它也只是作为被误导的中世纪信仰的一个例子饱受讥讽。
已知现存拜占庭时期最大最详细的地图就是马达巴( Madaba)的马赛克地图了——位于约且马达巴的圣乔治希腊东正教的教堂中，其创作始于公元542年，直至东罗马帝国的皇帝去世，历时23年之久。1884年，它被再次发现，虽然只有部分保存完整，但仍足以震撼每一位观众。
这幅马赛克地图的创作者的初衷是想绘制圣地( Holy Lands)的全景，那意味着该图应该包括从地中海到约旦河东岸，从北部的叙利亚到埃及的尼罗河三角洲的区域。因此，这幅马赛克地图非常庞大，据估算，最初可能至少有24米×6米大，占满了教堂正殿的整个宽度，而且制作它的手工艺者需要至少两百万块马赛克片。
该图设色广泛：两个主色之一的蓝绿色用来代表山脉；另一个是红色，用来代表城镇的建筑。整幅地图包括了一个平原和一些河流，湖泊、沙漠、绿洲、城市和乡镇，所有这些都以图画的方式优美地表现出来，画面上甚至还表现了横渡约旦河的一只渡船。表现耶路撒冷的方法特别有意思，它的尺寸被有意夸大了，这无疑是要说明——对当时以及后来漫长历史中的基督徒来说——这座城市是精神世界的中心之一。它被描绘成一个被城墙围成椭圆形的城市，城中有一些标志性的建筑，如长墓教堂，圣母马丽亚新教堂、大马土革城门，还有公共浴场。
我们已知最早的中国地图可追溯至公元前2100年左右，但这个国家最早的器测活动被认为是从公元前6世纪开始的。在汉朝统治时期(公元前206一公元220年)，中国人就建立了一套以注重比例尺为核心的数学制图惯例。
些早期的中国地图是出于军事目的而绘制的，而其他地图——土地测绘图、地形图——都是协助统治王朝及其官员治理国家的工具。1972至1974年间，在湖南长沙郊区马王堆的一座汉墓中发掘出土了三幅地图，其中一幅被认为具有军事功能，它是为公元前168年左右的长沙的统治者准备的。它和同时出土的其他两幅地图被认为是世界上现存最早的以土地测量为基础的地图。
从3世纪开始，在地图上或地图附带的小册子中逐条标注如距离和方向等信息以及物理特征的描述，已成为制图工作的标准。这些非常实用的“带说明的地图”被分发给朝廷的官员，帮助他们熟悉所要前往管辖的区域，这使得地图成了重要的管理工具。
裴秀(224-271年)是当时最著名的学者之一，他于公元267年升任司空，负责建立了很多规范中国地图绘制的法则。在他提出的“制图六体”中，裴秀特别强调了比例尺、位置、距离、地势起伏和倾斜角度，以及对精确测量的严谨思考和对地理细节的密切关注。