“地球是宇宙的中心”的說法，正好是“神學家的天空”的基礎。中世紀的神學家吹捧托勒密的結論，卻隱瞞了托勒密的方法論：托勒密建立了天才的數學理論，企圖憑人類的智慧，用觀測、演算和推理的方法，去發現天體運行的原因和規律，這正是托勒密學說中富有生命力的部分。因此，盡管托勒密的“地球中心學說”和神學家的宇宙觀不謀而合，但是兩者是有本質區別的，一個是科學上的錯誤結論，一個是愚弄人類、妄圖使封建統治萬古不變的彌天大謊。哥白尼對此作出正確的評價，他說：“應該把自己的箭射向托勒密的同一個方向，隻是弓和箭的質料要和他完全兩樣。”
哥白尼曾十分勤奮地鑽研過托勒密的著作。他看出了托勒密的錯誤結論和科學方法之間的矛盾。哥白尼正是發現了托勒密的錯誤的根源，才找到了真理。
哥白尼認識到，天文學的發展道路，不應該繼續“修補”托勒密的舊學說，而是要發現宇宙結構的新學說。他打過一個比方：那些站在托勒密立場上的學者，從事個別的、孤立的觀測，拚湊些大小重疊的“本輪”來解釋宇宙的現象，就好像有人東找西尋地撿來四肢和頭顱，把它們描繪下來，結果並不像人，卻像個怪物。
哥白尼早在克拉科夫大學讀書時，就開始考慮地球的運轉的問題。他在後來寫成《天體運行》的序言裏說過，前人有權虛構圓輪來解釋星空的現象，他也有權嚐試發現一種比圓輪更為妥當的方法，來解釋天體的運行。
哥白尼觀測天體的目的和過去的學者相反。他不是強迫宇宙現象服從“地球中心”學說。哥白尼有一句名言：“現象引導天文學家。”他正是要讓宇宙現象來解答他所提出的問題，要讓觀測到的現象證實一個新創立的學說——“太陽中心”學說。他這種目標明確的觀測，終於促成了天文學的徹底變革。
哥白尼的觀測工作在克拉科夫大學時就有了良好的開端。他曾利用著名的占星家瑪爾卿·布利查（約1433～1493年）贈送給學校的“捕星器”和“三弧儀”觀測過月食，研究過浩翰無邊的星空。
哥白尼在克拉科夫大學學習三年就停了學，而到意大利去學習“教會法”了。這是他舅父務卡施的主意。因為當時盤踞在波蘭以北的十字騎士團經常侵犯邊境，為非作歹，而和他們作鬥爭，就必須有人精通“教會法”。哥白尼認為抗擊十字騎士團是義不容辭的責任。他說：“沒有任何義務比得上對祖國的義務那麼莊嚴，為了祖國而獻出生命也在所不惜。”所以他同意了務卡施的建議。為了取得出國的路費和長期留學的生活費用，他再次接受他舅父的安排，決定一輩子擔任教會的職務。1496年秋天，哥白尼披上僧袍，動身到意大利去了。
他在意大利北部的波倫亞大學學習“教會法”，同時努力鑽研天文學。在這裏，他結識了當時知名的天文學家多米尼克·瑪利亞，同他一起研究月球理論。他開始用實際觀測來揭露托勒密學說和客觀現象之間的矛盾。他發現托勒密對月球運行的解釋，正像雷吉蒙騰所指出的那樣，一定會得出一個荒謬的結論：月亮的體積時而膨脹時而收縮，滿月是膨脹的結果，新月是收縮的結果。1497年3月9日，哥白尼和瑪利亞一起進行了一次著名的觀測。那天晚上，夜色清朗，繁星閃爍，一彎新月浮遊太空。他們站在聖約瑟夫教堂的塔樓上，觀測“金牛座”的亮星“畢宿五”，看它怎樣被逐漸移近的娥眉月所掩沒。當“畢宿五”和月亮相接而還有一些縫隙的時候，“畢宿五”很快就隱沒起來了。他們精確地測定了“畢宿五”隱沒的時間，計算出確鑿不移的數據，證明那一些縫隙都是月亮虧食的部分，“畢宿五”是被月亮本身的陰影所掩沒的，月球的體積並沒有縮小。就這樣，哥白尼把托勒密的地心說打開了一個缺口。
1500年，哥白尼由於經濟困難，到羅馬去擔任數學教師。第二年夏天，哥白尼回國，後因取得教會的資助，秋天又到意大利的帕都亞學醫。1503年，哥白尼在法臘羅大學取得教會法博士的學位。
這時，哥白尼還努力研讀古代的典籍，目的是為“太陽中心學說”尋求參考資料。他幾乎讀遍了能夠弄到手的各種文獻。後來他寫道：“我愈是在自己的工作中尋求幫助，就愈是把時間花在那些創立這門學科的人身上。我願意把我的發現和他們的發現結成一個整體。”他在鑽研古代典籍的時候，曾抄下這樣一些大膽的見解：
“天空、太陽、月亮、星星以及天上所有的東西都站著不動，除了地球以外，宇宙間沒有什麼東西在動。地球以巨大的速度繞軸旋轉，這就引起一種感覺，仿佛地球靜止不動，而天空卻在轉動。”
“大部分學者都認為地球靜止不動，但是費羅窩斯和畢達哥拉斯卻叫它圍繞一堆火旋轉。”
“在行星的中心站著巨大而威嚴的太陽，它不但是時間的主宰，不但是地球的主宰，而且是群星和天空的主宰。”
這些古代學者的卓越見解，在當時被認為是“離經叛道”的，但是對哥白尼來說，卻好比是夜航中的燈塔，照亮了他前進的方向。
1506年，哥白尼結束了在意大利十年留學的生活，動身回國。
哥白尼在一個秋雨綿綿的日子離開意大利。當時天空出現了彗星斷天的異象，廣大地區瘟疫流行。正在這時，羅馬教皇亞曆山大又誤喝了謀害別人的毒酒而喪命。意大利教會就趁機提出種種“警告”，招搖撞騙，愚弄人民。當哥白尼回到波蘭時，天空出現另一個罕見的星象，教會也在大肆活動，鬧得首都克拉科夫烏煙瘴氣。
原來，教會宣告天空將連續出現四次土星和木星“會合”的異象，說這是上天對世人的一個嚴重警告。世上將出現一個冒牌的先知，洪水和瘟疫將接連而來，並將引起社會騷亂和國家崩潰。這種種謠言鬧得人心不安，有錢的人拚命尋歡作樂，希望擺脫對於未來的恐懼；窮苦的老百姓為了向教會購買“贖罪符”，更是弄得傾家蕩產，難以活命。天空一向是教會敲詐勒索的搖錢樹，他們把“天堂中的位置”裝在自己的錢包裏，大量兜售“贖罪符”，搜刮民財。當時波蘭赫赫有名的宗教裁判官鐵哲爾就說過，向他孝敬錢財的人可以消災免禍，連死去的人也可以贖洗罪孽。他的口頭禪是：“銀錢投入聖櫃，靈魂升入天堂！”
這時，哥白尼和他的朋友們也在克拉科夫研究兩星“會合”的問題。哥白尼發現教會的說法包含數據的錯誤，顯然是妖言惑眾。於是，他和朋友們決定各自在不同的地區進行觀測，以便一起來揭發教會的邪招。
當第四次“會合”發生的時候，哥白尼正在赫爾斯堡他舅父務卡施的主教官邸，主持與十字騎士團的鬥爭，雖然政務繁忙，哥白尼仍然堅持觀測星象。
觀測的結果證實了哥白尼的預見。“會合”的日期，和教會所說的不符，而和哥白尼的推算卻是相符的——它提前了一個多月。哥白尼的朋友們也觀測到同一個星象。
在赫爾斯堡，由於朋友們不斷催促，哥白尼把他的“太陽中心學說”寫出了一個提綱，取了一個樸素的名字，叫《試論天體運行的假設》，抄送給他的幾個心腹朋友。它宣布：“所有的天體都圍繞著太陽運轉，太陽附近就是宇宙中心的所在。地球也和別的行星一樣繞著圓周運轉。它一晝夜繞地軸自轉一周，一年繞太陽公轉一周……。”
哥白尼所宣布的是一個巨大的學說體係的輪廓，它在參加聚會的朋友中間引起了許多爭論。哥白尼對許多疑問都作了解答。在結束辯論的時候，他引用了古羅馬大詩人西塞羅的話：“沒有什麼東西趕得上宇宙的完整，趕得上德行的純潔。”他用這句話表明了一具信念，那就是：宇宙是完整的、對稱的、和諧的，是具有可以理解的規律和秩序的。
《試論天體運行的假設》是哥白尼學說的第一塊基石，但要在這塊基石上建立起宏偉的理論大廈，還需要做許多準備工作。
1512年，務卡施病死，哥白尼離開了赫爾斯堡，遷居到教區大教堂所在寺的弗隆堡。弗隆堡瀕臨波羅的海，是個小小的漁港。哥白尼在弗隆堡定居以後，就買下城堡的一座箭樓。這座箭樓本來是作戰用的，三角形的樓頂向前傾側，幾乎伸到圍牆的外邊。樓頂的最上層有三個窗口，那裏是哥白尼的工作室。下麵兩層是臥房，各有一個射擊用的槍眼。從最上層的窗口可以向四麵八方觀測天象。遇到樓頂妨礙觀測的時候，外邊的露台就成了他的觀測台。他在這裏一直住到去世。
這時，哥白尼已將他未來的著作取名為《運行》。在他看來，運動才是生命的真諦——運動存在於萬物之中，上達天空，下至深海。沒有什麼東西是靜止的，一切東西都在生長、變化、消失，千秋萬代繼續不停。《運行》這一著作，就是要揭示大自然這一最本質的秘密。哥白尼的這一觀點，肯定了客觀世界的存在和它的規律性，閃耀著樸素的唯物主義哲學的光輝。
哥白尼對地球的形狀，曾多次作過間接的觀測。早在1500年11月6日，他就在羅馬近郊的一個高崗上觀測月食，研究地球投射在月球表麵的弧狀陰影，從而證實了亞裏士多德關於地球呈球狀的論斷。在定居弗隆堡時，他曾多次站在波羅的海岸邊觀察帆船。有一次，哥白尼請求一艘帆船在桅頂綁上一個閃光的物體，他站在岸邊看著這艘帆船慢慢駛運。他描寫這次觀察的情況說：“隨著帆船的遠去，那個閃光的物體逐漸降落，最後完全隱沒，好像太陽下山一樣。”這次觀察使他得出一個結論：“就連海麵也是圓形的。”