約翰尼斯·開普勒於1571年出生在德國的威爾德斯達特鎮，父親是符騰堡的一個陸軍軍官，母親是旅館主人的女兒。開普勒就讀於蒂賓根大學，1588年獲得學士學位，三年後獲得碩士學位。
開普勒在蒂賓根大學學習期間，他聽到哥白尼對日心學說所做的合乎邏輯的闡述，很快就相信了這一學說。
開普勒家開了一片小客棧，由於經濟困難，他不得不幫助父親在店裏打雜。在開普勒的再三央求下，父親才先後送他進入日耳曼語學校和拉丁語學校學習。開普勒智力過人，又勤奮刻苦，所以學習成績總是名列前茅。
1589年，開普勒考入杜賓根大學，攻讀神學、哲學和數學，因為受到讚同哥白尼學說的天文學教授歇爾·馬斯特林的影響，他的興趣轉向天文學，成為哥白尼學說的堅定擁護者。與其他多數德國學者一樣，開普勒一生命運多舛。由於信仰新教，他被趕出了奧地利，逃往巴伐利亞。盡管他當上了皇帝的星相家，其他諸侯也經常求教於他，但這位天文學的驕子卻一直生活在拮據之中。
據他自己說，他在擔任星相家期間從未領到過工資，在這種情形下還要贍養年邁的母親。由此可以想象其生活的艱辛。他的三大定律是在流亡的旅程中發現的。然而，就是這樣，他依然執著地愛著德國，流露出對祖國的深深眷戀之情，拒絕到英國或意大利去。他曾說過：“隻要德國不嫌棄我，我將永遠忠於德國。我生為德國人，在德國長大，我隻希望在有德意誌風俗，充滿自由思想的王國中生活。”
開普勒將德國人對音樂的超凡感受力溶進了他的天文學研究中。他引用柏拉圖的話說，上帝就是幾何學，但又不僅僅以幾何學來表現自己。上帝使行星形成一個充滿生機的實體，以幾何形式建立一個和諧的世界，並以聽得見的音樂形式表現一切基本事物。他號召音樂家追隨自己，因為音樂家最懂得和諧。關於行星的運動方式，開普勒在論述數學的篇章中是以這樣的一句話開始的：“現在，天王星啊，我們需要更豐富的音調！”
在蒂賓根大學畢業後，開普勒在格拉茨研究院當了幾年教授。在此期間完成了他的第一部天文學著作（1596年）。雖然開普勒在該書中提出的學說完全錯誤，但卻從中非常清楚地顯露出他的數學才能和富有創見性的思想，於是偉大的天文學家第穀·布拉赫邀請他去布拉格附近的天文台給自己當助手。開普勒接受了這一邀請，1600年1月加入了第穀的行列。第穀翌年去世。開普勒在這幾個月來給人留下了非常美好的印象，不久聖羅馬皇帝魯道夫就委任他為接替第穀的皇家數學家。開普勒在餘生一直就任此職。
作為第穀·布拉赫的接班人，開普勒認真地研究了第穀多年對行星進行仔細觀察所做的大量記錄。第穀是望遠鏡發明以前的最後一位偉大的天文學家，也是世界上前所未有的最仔細、最準確的觀察家，因此他的記錄具有十分重大的價值。開普勒認為通過對第穀的記錄做仔細的數學分析可以確定哪個行星運動學說是正確的：哥白尼日心說，古老的托勒密地心說，或許是第穀本人提出的第三種學說。但是經過多年煞費苦心的數學計算，開普勒發現第穀的觀察與這種三學說都不符合，他的希望破滅了。
最終開普勒認識到了所存在的問題：他與第穀、拉格茨·哥白尼以及所有的經典天文學家一樣，都假定行星軌道是由圓或複合圓組成的。但是實際上行星軌道不是圓形而是橢圓形。