從經院哲學的立場來看，這個極複雜的體係顯然背離了被奉為經典而不能違背的亞裏士多德物理學體係。在那個體係中，宇宙體係被描述為同心球。哥白尼希望能用新的方法解決這個矛盾。他抱著真誠的正統信仰，從對舊理論不能始終遵循確定的原則，因而無法推斷宇宙的形狀及其各部分永恒的對稱性的質疑與批判，開始了他的探索。他認為可觀察的世界，應是上帝意誌活動的象征。從表觀上錯綜混亂的現象背後找到對稱和秩序，便是對上帝意誌的一個證明，是對上帝的尊敬。在《天體運行論》的序言中他寫道：“我對傳統數學在研究各個天體運動中的可疑之處思索了很長時間之後，對於哲學家們不能對造物主為我們造成的美好而有秩序的宇宙機構提出正確的理論而感到氣憤，……”為了找到解決這一矛盾的途徑，“我不辭辛苦地重讀了我所能得到的哲學著作，看看在各天球運動方麵有沒有跟數學派不同的假說。結果，在西塞羅的著作中發現了海西塔斯逼真地描寫過地球的運動，後來又在普魯塔爾赫的著作中看到還有別的人也讚成與之類似的見解……這就啟發了我也開始考慮地球的運動。”作者在第一卷中簡要介紹了日心學說的基本觀點，是全書的總綱。論述了地球的運動、各星球軌道的位置、宇宙的總體結構，論證了為什麼地球也是一個行星，並解釋了四季循環的原因，回答了對地動說的種種責難。作者大膽地提出：“太陽是宇宙的中心，所有行星都圍繞太陽運轉；地球不是宇宙的中心，而是繞太陽運轉的一顆普通行星。”“人們每天看到的太陽由東向西運行，是因為地球每晝夜自轉一周的緣故，而不是太陽在移動。”“天上的星體的不斷移動，是因為地球本身在轉動，而不是星體圍繞著靜止的地球轉動。”“火星、木星等行星在天空中有時順行，有時逆行，是因為它們各依自己的軌道繞太陽轉動，而不是因為他們行蹤詭秘。”“月亮是地球的衛星，一個月繞地球轉一周。”
關於“地動”還是“天動”，作者的思考是機智而辯證的。他認為，關於各個天體運動表觀上的種種不均勻性，這是由於地球不處於它們運轉的圓心，而是離宇宙中心有一段距離所致。因此“必須首先仔細地研究地球在天空中的地位，以免舍近求遠，本末倒置，錯誤地把地球運動造成的現象當成天體運動的結果”。他指出，“如果不是假定天穹，而是地球從西向東轉，那麼所有嚴肅地思考的人就會發現，我們的結論是正確的。天穹包容萬物，為什麼要把運動歸於包容者而不歸之於被包容的東西呢？”他還根據“天比地大，其大無比”的事實進行論述：“實際上，如果龐大無比的宇宙24小時轉一圈，而不是它的小小的部分——地球在轉，那就太奇怪了。”他引用維爾吉爾史詩中的名句“我們離港向前航行，陸地和城市後退了”作比喻而詰問道“為什麼不能承認地球的完全自然的、並同自己的形狀相適應的運動，而需要假定整個宇宙（它的極限是不知道的，也是不可能知道的）在轉動呢？”他由此斷言：“地球肯定不是行星軌道的中心。並且可以說，地球除了周日旋轉外還有另一種運動。”這幾段話中包含了相對運動的觀點，顯然，作者已經意識到，運動是以某物為參照係而言的。
作者指出，托勒密體係之所以繁瑣，在於他把地球的三種運動（自轉、公轉和地軸的回轉）都強加給每一個天體，這樣每個天體都加了三個圈，因而使宇宙體係人為地複雜化了，以至於在托勒密的體係中要有80個圈。這就使一些十分聰明的人也難免要頭暈目眩了。作者具體說明了地球的三種運動：第一種是“地球自西向東繞軸晝夜自轉”，由於這種運動，使整個宇宙看起來都作沿“回歸圈”的反向運動；第二種是“地心同地球上的一切物體的周年旋轉，在金星與火星軌道間的黃道上從西向東運行”，由於這種運動，使太陽看起來好像在黃道上作相似的運動；第三種是“傾斜麵的運動”，即赤道麵或自轉軸相對於日——地聯線的運動，它同第二種運動合成的結果，使自轉軸相對於恒星天球的方向不變，這個合成運動即現在所說的地球的公轉。作者認為，古人為了建立一種地球靜止於宇宙中心的體係而把地球的三種運動加給了每一個天體，這使他們的宇宙體係不必要地複雜化了。作者根據地球的三種運動與各個天體固有的自身運動，簡單而統一地解釋了從地麵上觀察到的天體的環日運動，太陽、月亮運動的快慢變化，行星運動中的逆行、駐留和偏南偏北的運動，二分點的歲差現象等，這不能不說是一種思維方法上的革命。
在作者將轉動的主體作了一個顛倒以後，他充滿信心地說：“於是，從地球運動的假定出發，經過長期的、反複的觀測，我終於發現：如果其他行星的運動同地球運動聯係起來考慮，並按每一行星的軌道比例來做計算，那麼，不僅會得出各種觀測現象，而且一切星體軌道和天球之大小與順序以及天穹本身，就全部有機地聯係在一起了，以至不能變動任何一部分而不在眾星和宇宙中引起混亂。”這樣，作者就提出了他的太陽係結構的總排列：最遠的不動的恒星天球，構成了其它天體的位置和運動的參考背景；然後由遠而近依次為土星、木星、火星、地球、金星和水星，它們都畫出以太陽為圓心的同心軌道；“中央就是太陽。在這華美的殿堂裏，為了能同時照亮一切，我們還能把這個發光體放到更好的位置上嗎？太陽被稱為宇宙之燈，宇宙之心，宇宙的主宰。……太陽好像是坐在王位上統率著圍繞它轉的行星家族。”