在开普勒之前的天文学界，人们凭直观的假设和推理，一直以为一切天体都是球形的，都沿着圆形轨道作着匀速运动，就是“日心说”的创始人哥白尼，也因历史条件的局限，未能摆脱这个传统观念的束缚。直到1609年，德国人开普勒运用数学理论和观测实践相结合，才冲破了这条神圣的“圆形轨道”，揭开了天体运行的真面目。
开普勒（1570—1630年）童年时，一场可怕的天花摧残了他的身体和视力。他深切地体会了生存的艰难，开普勒把生活的全部快乐都寄托在学习上。他从小酷爱数学，总想在自然界里寻找数量的规律性。他深信，宇宙的结构必定符合完善的数学原则，而哥白尼的日心说在数学上的简单性和谐性正合他的心意，因此，他在学生时代就成为哥白尼学说的信奉者。
从神学院毕业后，由于他拥护哥白尼的观点，而被教会视作危险分子，不予录用，正在此时，对开普勒早有耳闻的丹麦天文学家第谷向他发出诚恳的邀请。
在开普勒的人生道路上，最幸运的事就是结识了布拉格天文台台长丹麦天文家第谷·布拉赫，并当了他的助手。
第谷是一位出色的观测家，积累了丰富而又珍贵的观测资料，这无疑给自幼损坏了视力的数学天才开普勒借他人之眼观测星空来进行天体运动测算创造了良机。
第谷去世后，开普勒继承了他的工作。第谷曾吩咐开普勒编制一套与观测结果相符的行星位置表。开普勒在编制星表时发现，无论用哥白尼体系还是托勒密体系推算出的行星位置，与第谷的观测结果相比较，总是有无法消除的差异。虽然此差异只是微乎其微的8′左右（即0.133度），相当于手表钞针在0.02秒瞬间转过的角度。这微小的差异促使开普勒下决心查明理论与观测不一致的原因，全力揭开行星运动的秘密。
他开始向火星这颗闪烁着耀眼红光、被当作古希腊神话中战神象征的行星挑战了。通过对火星运行状况长达4年的观测和计算，他开始怀疑前人一直认为“天体只能按圆形轨道运动”的观点可能是错误的。他尝试着用各种不同的几何曲线表示所观测到的火星运行情况，终于发现火星只有采取椭圆形式运行，计算才与观察结果完全相符。这一发现，使开普勒欣喜万分。他把椭圆形式推广到所有行星，总结出行星运动的轨道定律：行星在椭圆轨道上运行，太阳在椭圆的一个焦点上。行星运行轨道定律的发现，把哥白尼学说向前推进了一大步，用开普勒本人的话说：“就凭这8′之差，引起了天文学的全部革新！”
接着，开普勒又发现火星运动的速度变化不定：离太阳近时，运动速度就快，远时则慢。其他行星也是如此。他终于找出了行星运行速度变化规律，即开普勒第二定律“面积定律”：行星与太阳的连线在相等的时间内，扫过相等的面积。
1609年开普勒将他发现的这两个定律写入了《新天文学》一书。
后来，开普勒又用了近10年时间对金星、木星、水星、火星、土星和地球这6颗行星之间的几何关系进行了研究，终于又发现一条定律——周期定律：行星公转周期的平方和它们椭圆轨道的半长轴的立方成正比。1619年，他在新出版的《宇宙和谐论》一书中记载了自己创立的这第三条定律。
用开普勒的这三条定律推算行星的位置，比用圆形轨道所得的结果要精密得多，因此很快得到天文界的公认。开普勒的发现使哥白尼的日心说更加严谨，更具规律性。人们为了纪念开普勒的功绩，把这三条定律称之为“开普勒定律”，是“天空中的法律”，而开普勒则是“天空的立法人”。
然而，这位第一个给天空立法的人也有他的遗憾。
开普勒的行星运行三定律把行星运动的动力问题提到了科学家面前：为什么行星会按这三条定律运动呢？维持太阳系和谐秩序的原因是什么？开普勒在探索这些问题时，曾这样描述：“月球被地球牵引着，反之月球也吸引着地球上的海水。从太阳那里，有一只肉眼看不见的巨大的手，伸向行星，拉着这些行星跟太阳一起旋转。”这段生动形象的话说明开普勒已经看到了引力的影子，感觉到引力的存在，提出了引力的概念。如果再深入研究下去，凭着他那敏锐的数学头脑，说不定会成为万有引力定律的发现者。遗憾的是，由于种种原因，开普勒没能将这一步继续走下去，万有引力定律与他擦肩而过。