他在1609年發表的偉大著作《新天文學》中提出了他的前兩個行星運動定律。行星運動第一定律認為每個行星都在一個橢圓形的軌道上繞太陽運轉，而太陽位於這個橢圓軌道的一個焦點上。行星運動第二定律認為行星運行離太陽越近則運行就越快，行星的速度以這樣的方式變化：行星與太陽之間的連線在等時間內掃過的麵積相等。十年後開普勒發表了他的行星運動第三定律：行星距離太陽越遠，它的運轉周期越長；運轉周期的平方與到太陽之間距離的立方成正比。
開普勒定律對行星繞太陽運動做了一個基本完整、正確的描述，解決了天文學的一個基本問題。這個問題的答案曾使甚至象哥白尼、伽利略這樣的天才都感到迷惑不解。當時開普勒沒能說明按其規律在軌道上運行的原因，到17世紀後期才由艾薩克·牛頓闡明清楚。牛頓曾說過：“如果說我比別人看得遠些的話，是因為我站在巨人的肩膀上。”開普勒無疑是他所指的巨人之一。
開普勒對天文學的貢獻幾乎可以和哥白尼相媲美。事實上從某些方麵來看，開普勒的成就甚至給人留下了更深刻的印象。他更富於創新精神。他所麵臨的數學困難相當巨大。數學在當時遠不如今天這樣發達，沒有計算機來減輕開普勒的計算負擔。
但是經過幾十年的曆程，開普勒定律的意義在科學界逐漸明朗起來。實際上在17世紀晚期，有一個支持牛頓學說的主要論點認為開普勒定律可以從牛頓學說中推導出來，反過來說隻要有牛頓運動定律，也能從開普勒定律中精確地推導出牛頓引力定律。但是這需要更先進的數學技術，而在開普勒時代則沒有這樣的技術，就是在技術落後的情況下，開普勒也能以其敏銳的洞察力判斷出行星運動受來自太陽的引力的控製。
從開普勒取得的成果的重要性來看，令人感到驚奇的是他的成果起初差一點被忽略，甚至差點被伽利略這樣如此偉大的科學家所忽略（伽利略對開普勒定律的忽視特別令人感到驚奇，因為他倆之間有書信往來，而且開普勒的成果會有助於伽利略駁斥托勒密學說）。如果說其他人遲遲不能賞識開普勒成果的重大意義的話，他本人是會諒解這一點的。他在一次抑製不住巨大喜悅時寫道：“我沉湎在神聖的狂喜之中……我的書已經完稿。它不是會被我的同時代人讀到就會被我的子孫後代讀到──這是無所謂的事。它也許需要足足等上一百年才會有一個讀者，正如上帝等了6000年才有一個人理解他的作品。”
當時德國開始陷入“三十年戰爭”的大混亂之中，很少有人能躲進世外桃源。
他遇到的一個問題是領取薪水。聖羅馬皇帝即使在較興隆的時期都是怏怏不樂地支付薪水。在戰亂時期，開普勒的薪水被一拖再拖，得不到及時的支付。開普勒結過兩次婚，有十二個孩子，這樣的經濟困難的確很嚴重。另一個問題是他的母親在1620年由於行巫術而被捕。開普勒花費了大量的時間設法使母親在不受拷打的情況下獲得釋放，他終於達到了目的。
開普勒於1630年在巴伐利亞州雷根斯堡市去世。他的行星運動定律是一座比任何石碑都更為有意義的紀念碑。