在開普勒之前的天文學界，人們憑直觀的假設和推理，一直以為一切天體都是球形的，都沿著圓形軌道作著勻速運動，就是“日心說”的創始人哥白尼，也因曆史條件的局限，未能擺脫這個傳統觀念的束縛。直到1609年，德國人開普勒運用數學理論和觀測實踐相結合，才衝破了這條神聖的“圓形軌道”，揭開了天體運行的真麵目。
開普勒（1570—1630年）童年時，一場可怕的天花摧殘了他的身體和視力。他深切地體會了生存的艱難，開普勒把生活的全部快樂都寄托在學習上。他從小酷愛數學，總想在自然界裏尋找數量的規律性。他深信，宇宙的結構必定符合完善的數學原則，而哥白尼的日心說在數學上的簡單性和諧性正合他的心意，因此，他在學生時代就成為哥白尼學說的信奉者。
從神學院畢業後，由於他擁護哥白尼的觀點，而被教會視作危險分子，不予錄用，正在此時，對開普勒早有耳聞的丹麥天文學家第穀向他發出誠懇的邀請。
在開普勒的人生道路上，最幸運的事就是結識了布拉格天文台台長丹麥天文家第穀·布拉赫，並當了他的助手。
第穀是一位出色的觀測家，積累了豐富而又珍貴的觀測資料，這無疑給自幼損壞了視力的數學天才開普勒借他人之眼觀測星空來進行天體運動測算創造了良機。
第穀去世後，開普勒繼承了他的工作。第穀曾吩咐開普勒編製一套與觀測結果相符的行星位置表。開普勒在編製星表時發現，無論用哥白尼體係還是托勒密體係推算出的行星位置，與第穀的觀測結果相比較，總是有無法消除的差異。雖然此差異隻是微乎其微的8′左右（即0.133度），相當於手表鈔針在0.02秒瞬間轉過的角度。這微小的差異促使開普勒下決心查明理論與觀測不一致的原因，全力揭開行星運動的秘密。
他開始向火星這顆閃爍著耀眼紅光、被當作古希臘神話中戰神象征的行星挑戰了。通過對火星運行狀況長達4年的觀測和計算，他開始懷疑前人一直認為“天體隻能按圓形軌道運動”的觀點可能是錯誤的。他嚐試著用各種不同的幾何曲線表示所觀測到的火星運行情況，終於發現火星隻有采取橢圓形式運行，計算才與觀察結果完全相符。這一發現，使開普勒欣喜萬分。他把橢圓形式推廣到所有行星，總結出行星運動的軌道定律：行星在橢圓軌道上運行，太陽在橢圓的一個焦點上。行星運行軌道定律的發現，把哥白尼學說向前推進了一大步，用開普勒本人的話說：“就憑這8′之差，引起了天文學的全部革新！”
接著，開普勒又發現火星運動的速度變化不定：離太陽近時，運動速度就快，遠時則慢。其他行星也是如此。他終於找出了行星運行速度變化規律，即開普勒第二定律“麵積定律”：行星與太陽的連線在相等的時間內，掃過相等的麵積。
1609年開普勒將他發現的這兩個定律寫入了《新天文學》一書。
後來，開普勒又用了近10年時間對金星、木星、水星、火星、土星和地球這6顆行星之間的幾何關係進行了研究，終於又發現一條定律——周期定律：行星公轉周期的平方和它們橢圓軌道的半長軸的立方成正比。1619年，他在新出版的《宇宙和諧論》一書中記載了自己創立的這第三條定律。
用開普勒的這三條定律推算行星的位置，比用圓形軌道所得的結果要精密得多，因此很快得到天文界的公認。開普勒的發現使哥白尼的日心說更加嚴謹，更具規律性。人們為了紀念開普勒的功績，把這三條定律稱之為“開普勒定律”，是“天空中的法律”，而開普勒則是“天空的立法人”。
然而，這位第一個給天空立法的人也有他的遺憾。
開普勒的行星運行三定律把行星運動的動力問題提到了科學家麵前：為什麼行星會按這三條定律運動呢？維持太陽係和諧秩序的原因是什麼？開普勒在探索這些問題時，曾這樣描述：“月球被地球牽引著，反之月球也吸引著地球上的海水。從太陽那裏，有一隻肉眼看不見的巨大的手，伸向行星，拉著這些行星跟太陽一起旋轉。”這段生動形象的話說明開普勒已經看到了引力的影子，感覺到引力的存在，提出了引力的概念。如果再深入研究下去，憑著他那敏銳的數學頭腦，說不定會成為萬有引力定律的發現者。遺憾的是，由於種種原因，開普勒沒能將這一步繼續走下去，萬有引力定律與他擦肩而過。