Apenas uma obra sua é conhecida: Sobre os tamanhos e distâncias entre o Sol e a Lua. Neste tratado, Aristarco realizou cálculos geométricos das dimensões e distâncias do Sol e da Lua.Também tentou determinar as distâncias e o tamanho do Sol e da Lua. Atualmente o seu nome é atribuído a uma cratera lunar. As suas conclusões sobre a organização do Sistema Solar, mesmo sendo simples, são admiradas ainda hoje pela sua coerência. Aristarco concluiu que o Sol estaria 20 vezes mais distante da Terra do que da Lua, mas, embora seja cerca de 400 vezes, o seu procedimento estava correto. Aristarco também procurou calcular o diâmetro da Lua em relação ao da Terra, baseando-se na sombra projetada pelo nosso planeta durante um eclipse lunar e concluiu que a Lua tinha um diâmetro três vezes menor que o da Terra, sendo que o valor correto é 3,7 vezes. Com esse dado, deduziu que o diâmetro solar era 20 vezes maior que o da Lua e cerca de 7 vezes maior que o da Terra. Também calculou, com mais precisão do que a dos antigos sábios, a duração de um ano solar. Embora obtivesse muitos erros em seus resultados, o problema estava mais nos instrumentos utilizados por ele do que nos seus métodos, que eram corretos. Aristarco tinha bom senso. Para ele, seria mais natural supor que um astro menor girasse em torno de um maior, que era uma opinião diferente da dos seus antecessores.

Todavia, a afirmação heliocêntrica não aparece neste trabalho. Na verdade, ela é conhecida através de uma referência feita por Arquimedes no seu Arenarius. A teoria heliocêntrica só ganharia reconhecimento e validade mais de mil anos depois, com Copérnico.