亚历山大大帝逝世后，他的几名部下分别在欧、亚、非三大洲建立了由希腊人主导的王国，由此进入了长达数百年的希腊化时期。
与此同时，在意大利半岛，罗马人也迅速向外扩张，逐渐由共和国发展成为一个庞大的帝国。由于地域及文化上的亲缘关系，希腊人的许多文明成果为罗马人所吸收，占星术便是其中之一。
从公元2世纪一直到西罗马帝国灭亡之前，占星术迎来了极为鼎盛的时期。另外，随着希腊—罗马世界与东方各民族的交往日益频繁，西方的占星术也反过来对东方产生了影响。
在罗马帝国时代，这种希腊—罗马的占星术向波斯传播，稍后又对印度产生了很大影响，黄道十二宫的概念就是这样传入印度的。
这一时期，有一位不得不提的奠基者——伟大的天文学家、占星家托勒密。作为西方占星术发展史上最重要的人物之一，生活于公元2世纪的托勒密，也是希腊化时期（尽管当时他生活的埃及已成为罗马帝国的一部分）最伟大的科学家。
在他的著作《四书》中，对占星术的架构进行了相当详细的说明，基本上奠定了占星术的发展方向。与托勒密同一时期的罗马诗人马尼利乌斯，在其著作《天文学》中也提出了自己的占星术理论，强调“命运控制着世界，万物都依无可避免的定律运行，它创造了人们，也在他们出生时决定了他们的寿数和命运的变化。”
通过托勒密等人的著作可以看出，当时关于天宫图等学说已经相当完备。在当时，王公贵族们所豢养的宫廷占星家时刻为主人寻求吉利时刻，以便从事政治、军事、经济等活动。
后来，占星术几乎成为王公贵族们必备的知识。据说，罗马帝国的开创者屋大维就曾公布自己的本命天宫图，向全国彰显自己的独特性。
在希腊化及罗马时期，最盛行的是生辰占星术，即根据一个人出生时刻日、月和五大行星在黄道十二宫的位置，预言此人此后岁月中的一系列事件，包括生老病死、穷通祸福，以及此人在性格、体质等方面的特征。
在这方面，留存下来的资料十分丰富。例如：“生于公元104年4月23日：手臂短。又一人：有病，在海上出逃不遂，但幸赖土星位置之仁慈，终可幸免于难”；“生于公元114年11月10日：42岁与一女子口角纠纷，大出其丑；两年后一奴隶横死，他的父亲陷于危险，性命攸关；他本人受到‘门第微贱’‘强奸’等指控。但他能得到朋友们的帮助和恩惠”；“生于公元116年1月12日：女人气，且有难言的恶习——因为魔羯宫是淫荡好色的，而它的统治者（土星）又远在金牛宫；……他看来将由于一些无法防止的意外事件，在军中高位上被人鸣鼓而攻，届时人们将无不惊奇”等等。
在这个时代的占星家心目中，世间各种事件与日、月、五大行星之间存在着密切的对应及互动关系。例如，太阳常与生命联系在一起，而且一天之中不同时刻的阳光具有不同性质。又如，火星总是与战争相关联，金星对应于爱情，水星对应于速度和情报信息等等。
关于五大行星的“性质”或“性格”，也有一套说法。比如，木星和金星被认为是仁慈的，火星和土星则会相冲相克，而水星则是中性的。行星和月亮的影响力，依据它们对于地球与太阳的相对位置而有所不同——金星、水星、月亮的影响力较弱，火星为中等，木星与土星则较强。
与此相对应，金星和月亮是“湿性”的，代表雌性、女性；而木、土二星则代表雄性、男性。
随着占星术理论的发展，希腊—罗马人逐渐形成了一种“非前定派”的占星术理论。该理论认为，人间万事中只有一部分是前定的，还有一部分未经前定，因此人们至少还有一些操控未来的余地。
在此情形下，时间和地点的选择就显得尤为重要，如果选择不当，做某件事可能会招灾惹祸，反之则会大吉大利。
按照“非前定派”占星家的观点，操控分娩过程、选择婴儿降生时刻成为关系到其一生祸福的大事。不过，那时的占星家需要根据孕妇的预产期，事先排算好一系列的算命天宫图，由此看出哪些日子、哪些时辰分娩是吉利的，进而指导产婆帮助产妇操控分娩过程，力求趋吉避凶。
然而，早在罗马帝国初期，就有许多人明确表示怀疑占星术的理论。其中，古罗马著名的政论家、雄辩家西塞罗一直坚持自己的立场。尽管他曾与信奉斯多噶派哲学的占星家波塞多尼奥斯交往，又与热衷于占星术的罗马执政官菲古卢斯友谊甚笃，但他仍表示无法相信占星术。他还在《论预言》一文中对占星术提出了八项具体的批评。
古罗马诗人卢克莱修则从哲学角度对占星术表示怀疑，他在长诗《物性论》中认为，来自天球的影响不可能有机会发生作用。
至于著名政治家塞涅卡，更是尖锐地质问占星家们：“从这类知识中我们能得到什么呢？我是应当为土星与火星的对峙，或因在能完全看到土星的夜晚里却看不到水星而担忧呢，还是应当逐步懂得这些天体不论在什么位置都同样吉利，它们的位置是不会变更的呢？……如果是它们致使一切事件发生，那么仅仅熟悉一个不可改变的东西的过程又有什么帮助呢？如果它们能预示一切事件，那么预先知道自己无法逃脱的厄运又能怎样呢？”甚至有人更清醒地批评占星术，认为占星术的预言通常宽泛不定、模棱两可，因而毫无意义。
占星术家所预言之事，非吉则凶。若预言你吉庆有余，你将被徒劳无益的企盼弄得可怜可笑；若预言你在劫难逃，你又将被徒劳无益的恐惧弄得可怜可笑。所以，无论如何你都不应该与那些自诩能预知未来的人掺和在一起。
然而，在事实上，批评与怀疑的声音在这个时期虽从未停止，但却丝毫无法阻止许多人对占星术的信奉。甚至有些人虽然在理论上对占星术持怀疑态度，但行动上未必如此。
比如著名的统帅恺撒，一向不信占星术，但他选金牛座星象做军团旗帜，有人认为这与占星术有关。再如奥勒利乌斯皇帝，他本人主张万事前定，在位时也不大与占星家交往，但也曾追随潮流，让占星家为他的两个儿子排算了算命天宫图。
与希腊时期相比，罗马人主要在医学占星术方面有了更进一步的发展，其代表人物便是著名医生盖伦。
盖伦，出生于小亚细亚爱琴海边一个建筑师家庭，是古罗马时期最著名、最有影响的医学大师，曾担任罗马帝国皇帝奥勒利乌斯的御医，被认为是仅次于希波克拉底的第二个医学权威。他早年跟随当地柏拉图学派的学者学习，17岁时跟随一位精通解剖学的医生学习医学知识。
在古罗马时期，医学被认为是一门实用的科学，因此相对受到重视。他一生写了131部著作，这些著作既反映了他的学术成就，也体现了他敏锐的观察能力和实践能力。
盖伦对占星医学颇有研究。除了在解剖学和药物学方面的研究，他最重要的成就是建立了血液的运动理论和对三种灵魂学说的发展。
大约在公元前5世纪后期，毕达哥拉斯学派的菲罗卢斯认为人体具有三种灵魂，即：1.生长灵魂，这是人、动物和植物所共有的，在人体它位于脐部；2.动物灵魂，这是人和动物所共有的，它位于心脏，主管感觉和运动；3.理性灵性灵魂，只有人才具备，位于脑部，主管智慧。
同一时代的亚里士多德分别称这三种灵魂为生殖灵魂、感觉灵魂及理性灵魂。植物只有生殖灵魂，动物有前两种灵魂，只有人才具备三种灵魂。盖伦则把这三种灵魂的说法与人体的解剖学、生理学知识创造性地结合起来，提出了所谓“自然灵气”“生命灵气”“动物灵气”的理论。
在长期的行医过程中，特别是由于曾在科林斯和亚历山大城学习，盖伦深受希腊医学占星术的影响。他认为好的医生也应该是哲学家，并接受了亚里士多德“在自然中一切都是有目的的”的观点，认为人体构造，如手上的肌肉和骨骼，都执行事先安排好的功能。
他特别注意病人得病的时间，还要仔细考虑为病人施术时天狼星的位置。在他的一篇医学论文中，讨论了月亮和行星在黄道十二宫不同位置时对疾病及治疗的不同影响。
在希腊化与罗马时期，占星术经历了复杂而多元的发展。它在广泛传播和发展的过程中，既受到众多人的信奉和追捧，也引发了诸多质疑和批评。无论是作为一种神秘的学说，还是与医学等领域相结合，占星术都在那个时代的文化、社会中留下了深刻的印记。