在陰濕多霧的波羅的海的岸邊，逢到嚴寒的冬夜，天空沒有雲影，星星在藍天閃爍著耀眼的寒光，哥白尼總是利用這種難得的機會，穿上皮襖，束緊風帽，把儀器搬到箭樓的露台上，進行通宵達旦的觀測。他所用的儀器都是自己動手做的，一共有三種。測量行星距離的“三弧儀”，是用樅樹杆削成的，用墨水劃上刻度，照準器也是雕出來的。測量月球和行星位置的“捕星器”，是用六根樹條繞成圓圈做成的。測定太陽中天時高度的“象限儀”，是一塊很大的正方形木板，右上角裝著帶刻度的木環，擱架上有個“水準儀”，其實隻是一個盛了水的玻璃管。觀測日食本來要在水裏觀測倒影，為了減少提水上箭樓的麻煩，他打破常規，改用一塊帶孔眼的護窗板把日影映到牆上。哥白尼就是利用這些簡陋的設備，在弗隆堡前後進行了有紀錄可查的50多次觀測，其中包括日食、月食、火星、金星、木星和土星的方位等等。這些觀測在望遠鏡發明以前能做得那麼精確，是很不容易的，難怪後來許多傑出的天文學家都非常欽佩。
1516年秋天，盤踞在波蘭以北的十字騎士團，屢次進犯邊境。教會借重哥白尼的聲望和才學，派他擔任俄爾斯丁教產總管，去對付大軍壓境的強敵。
就在那烽火連天的歲月裏，哥白尼開始撰寫他的不朽著作——《運行》。他在俄爾斯丁城堡的哨塔上布置了一個簡單的觀測台，並隨身帶去一些必要的資料。當時整部著作的內容已有個輪廓了，全書計劃寫成八卷（出版時是六卷）。第一卷已經動筆了，但是進展很慢，這是因為大敵當前，哥白尼必須全力以赴地對付敵人的挑釁和騷擾。
1519年秋天，哥白尼辭去教產總管的職務，又回到弗隆堡，用他的全部精力來撰寫《運行》。但是，戰爭的風暴很快席卷到這裏，弗隆堡陷入十字騎士團的重圍之中。敵人燒殺虜掠，斷絕糧草，企圖迫使守軍投降。這時，教堂的神父都逃跑了，有的甚至叛國投敵。但哥白尼仍舊留在城中，同居民一起支援守軍作戰。他們還修築運河，興修水利，哥白尼設計修建的水閘和水磨，在當時對支持戰爭和繁榮經濟是具有重大意義的。
第二年秋天，哥白尼再度擔任俄爾斯丁教產總管。這時十字騎士團已經侵占了附近的許多城堡，直逼俄爾斯丁。哥白尼把由他保管的錢財全部拿出來支援作戰，並親自部署防務，登城督戰。十字騎士團用燃燒彈攻城，哥白尼叫人用浸濕的皮子去捂滅敵人的燃燒彈。經過五天五夜的激烈戰鬥，城市依然屹立著。十字騎士團大公霍亨侖惱羞成怒，特地派人到弗隆堡去，把他的藏書、手稿和儀器一把火燒光。但哥白尼始終堅守城堡，霍亨侖無可奈何，隻好撤軍，同意休戰。戰後，波蘭國王齊格蒙特論功行賞，委派哥白尼為俄爾斯丁的行政長官。
1525年秋天，哥白尼寫作《運行》的工作，才在弗隆堡全力展開。這時，哥白尼的箭樓上來了一個女管家，名叫安娜。安娜出身名門，性情嫻淑，衷心愛慕哥白尼，毅然拋棄世俗的成見，和被教會剝奪了結婚權利的哥白尼同居。哥白尼在安娜的幫助和照顧下，書桌上的手稿迅速地一疊疊地增加起來了。
《運行》的第一卷，鳥瞰式地介紹了宇宙的結構。在論證的開始，哥白尼列舉了許多觀測資料來證明地球是圓形的。接著他指出了地球呈圓狀的理由。他說：“所有的物體都傾向於將自己凝聚成為這種球狀，正如同一滴水或一滴其他的流體一樣，總是極力將自己形成一個獨立的整體。”“物體呈球狀的原因在於它的重量，即在於物體的微粒或者說原子的一種自然傾向，要把自己凝聚成一個整體，並收縮成球狀。”他對這個問題的解答，給一百多年以後牛頓發現萬有引力開辟了道路。
關於原子他還寫了這樣一段：“所謂原子，是最細微的、不能再分割的微粒，它們重疊地或是成倍地相聚在一起，但由於它們看不見，並不立即形成看得見的物體；可是它們的數量可以增加到這種程度，足夠累積到可以看見的大小。”這一段話是針對唯心主義者的論調而說的，他們借口“原子無法看見”而抹煞原子的存在。在唯心主義者的唆使下，這一段話在《運行》出版時被刪去了；在以後300年間的三種版本裏都不見一個字。
《運行》的第二卷介紹了有關的數學原理，其中平麵三角和球麵三角的演算方法都是哥白尼首創的。這裏陳述了三角形的規則，即從三角形的已知某些邊和角去推算其他邊和角的規則。這包括了三邊是直線的平麵三角形和三邊是球麵上圓弧作成的球麵三角形。
第三卷是恒星表。第四卷介紹地球的繞軸運行和周年運行。
第五卷論述了地球的衛星——月球。哥白尼非常重視研究月球，特別是月食。他認為在月食的時候，人們可以從月球、地球和太陽的相對位置，得到關於宇宙的真實結構的暗示。“因為，當宇宙別的部分都是澄明的和充滿日光的時候，所謂黑夜就不是什麼別的東西，而隻是地球本身的陰影。這個陰影形成一個圓錐形，尾端尖削。月亮一接觸到這個陰影，就會失去光澤，而當它出現在陰影正中央時，它的位置正好和太陽相對。”
他的最後一卷準備寫關於行星運行的理論。
《運行》的不朽的貢獻，在於它根據相對運動的原理，解釋了行星運行的視運動。在哥白尼以前，這一原理從來沒有被人這樣詳盡地闡述過，也沒有人從這一原理得出過這樣重要的結論。
哥白尼對這個問題是這樣說：“所有被我們觀測的物體的位置變動，不是由於被觀測的物體的運動所引起，就是由於觀測者的運動，或由於物體和人的不一致的變動所引起的。既然地球是我們在它的移動中進行觀測的基地，那麼我們觀測到的天空中的運動，例如太陽的運動，就可能是一種表麵的運動，是一種由於地球本身的運動所引起的幻覺，而其他天體的運動，就可能是那個天體以及地球的不一致的運動所引起的結果。因此，如果承認‘地球從西向東地自轉’，那麼顯然會覺得好像是太陽、月亮、和星辰在升起和降落。”
“事情正是像維吉裏烏斯所闡明的，”哥白尼寫道，“他讓伊尼斯說：
‘我們駛出港埠，而陸地和城市卻在後退’。因為船隻駛過風平浪靜的海麵時，所有外界的東西，在船上的人看來，正好像它們在按照船隻的運動移動著，隻是方向相反——他們覺得，他們自己和身邊的東西都留在原處。這同一情況毫無疑問可能出現在地球運動的現象中，並引起整個宇宙都在旋轉的印象。”
哥白尼還論證說：“地球雖是一個巨大的球體，但比起宇宙來卻微不足道。”他注意到地平線把天球剖分為均勻的兩半，曾利用這一現象來證實宇宙是無限的這個論斷。“根據這一論斷，可見宇宙跟地球相比是無法測度的，它是一個無邊無際的龐然大物。”哥白尼還認為太陽是行星中相對不動的中心。
哥白尼的功績在於：他用科學的太陽中心說，推翻了在天文學上統治了幾千年的地球中心說。這是天文學上一次重大的革命，引起了人類宇宙觀的革新。
哥白尼在1506～1515年間已經寫成“太陽中心學說”的提綱——《試論天體運行的假設》，可是《運行》一書卻直到1543年他臨終時才出版。他在《運行》一書的“序言”裏提到這種情況時說：“在漫長的歲月裏，我曾經遲疑不決。”
哥白尼對於這本著作的出版，為什麼要“遲疑不決”呢？原因就在於他害怕教會對這一新興科學理論的迫害。
1543年5月24日，彌留之際的哥白尼終於見到剛剛出版的《天體運行論》，可惜當時的他已經因為腦溢血而雙目失明，他隻摸了摸書的封麵，便與世長辭了。
哥白尼是歐洲文藝複興時期的一位巨人。他用畢生的精力去研究天文學，為後世留下了寶貴的遺產。由於時代的局限，哥白尼隻是把宇宙的中心從地球移到了太陽，並沒有放棄宇宙中心論和宇宙有限論。在德國的開普勒總結出行星運動三定律、英國的牛頓發現萬有引力定律以後，哥白尼的太陽中心說才更加的穩固。從後來的研究結果證明，宇宙空間是無限的，它沒有邊界，沒有形狀，因而也就沒有中心。雖然哥白尼的觀點並不完全正確，但完全正確的是他的理論的提出給人類的宇宙觀帶來了巨大的變革。
恩格斯在《自然辯證法》中對哥白尼的《天體運行論》給予了高度的評價。他說：“自然科學借以宣布其獨立並且好像是重演路德焚燒教諭的革命行動，便是哥白尼那本不朽著作的出版，他用這本書（雖然是膽怯地而且可說是隻在臨終時）來向自然事物方麵的教會權威挑戰，從此自然科學便開始從神學中解放出來。”