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開普勒身殘意志力卻很頑強(qiáng)，1587年開普勒考進(jìn)了蒂賓根大學(xué)，主修哲學(xué)和神學(xué)，并且還學(xué)習(xí)了數(shù)學(xué)與天文學(xué)的課程。在大學(xué)他遇到秘密宣傳哥白尼學(xué)說的天文學(xué)教授麥斯特林，在他的影響下，開普勒很快成為哥白尼學(xué)說的忠實維護(hù)者，1591年獲得文學(xué)碩士學(xué)位。1594年受聘于奧地利的格拉茨路德派高中任數(shù)學(xué)教師。
開普勒對天文學(xué)有濃厚的興趣，花了大部分的時間學(xué)習(xí)天文學(xué)的知識，并研究有關(guān)各個行星與太陽之間距離問題，在1596年因出版了《宇宙的神秘》一書，受到著名的天文學(xué)家第谷的賞識，被邀請到布拉格附近的天文臺做研究工作。1600年開普勒到布拉格成為第谷的助手。次年第谷去世，第谷在臨終前將自己多年積累的天文觀測資料全部交給了開普勒，再三叮囑開普勒要繼續(xù)他的工作，并將觀察結(jié)果出版出來。開普勒接過了第谷尚未完成的研究工作，也接替了第谷的職位，被聘為皇帝的數(shù)學(xué)家。然而皇帝對他十分慳吝，給他的薪俸僅僅是第谷的一半，還時常拖欠不給。他的收入還不足以養(yǎng)活年邁的母親和妻兒，因此生活非常困苦。但開普勒卻從未中斷過科學(xué)研究，就是在這種艱苦的環(huán)境下，他在天文學(xué)方面取得了許多重要的成果�！�
早期開普勒深受柏拉圖和畢達(dá)哥拉斯神秘主義宇宙結(jié)構(gòu)論的影響，用數(shù)學(xué)的和諧性去探索宇宙。他的科學(xué)思想中充滿了所謂數(shù)字神秘主義的色彩，他特別驕傲的是他早期的“發(fā)現(xiàn)”，即行星軌道的數(shù)目、大小及其順序與五種（而且只有五種）規(guī)則的幾何體的存在之間有著直接的關(guān)系。在他最偉大的發(fā)現(xiàn)中，有一項是他幸運(yùn)地根除了一個重要的數(shù)學(xué)誤差的影響而獲得的，不過，他是用另一個誤差來抵消第一個誤差的影響的。后來他在伽利略的影響下，通過對行星運(yùn)動進(jìn)行深入的觀察和研究，逐步走上了科學(xué)探索真理的道路
。雖然開普勒的視力不佳，但他還是作了不少觀測工作。1604年9月30日在蛇夫座附近出現(xiàn)一顆新星，最亮?xí)r比木星還亮。開普勒對這顆新星進(jìn)行了17個月的觀測并發(fā)表了觀測結(jié)果。歷史上稱它為開普勒新星(這是一顆銀河系內(nèi)的超新星)。
開普勒研究天體運(yùn)動是從對火星軌道的研究開始的。因為在第谷留下的數(shù)據(jù)資料中火星的資料最豐富，而哥白尼的理論在火星軌道上的有很一些偏離。開始開普勒用正圓編制火星的運(yùn)行表，但是依照這個方法來預(yù)測衛(wèi)星的位置，卻與第谷的數(shù)據(jù)不符，產(chǎn)生了8分的誤差，發(fā)現(xiàn)火星老是出軌。開普勒知道第谷的實驗數(shù)據(jù)是可信的，那么錯誤究竟出在哪兒呢？開普勒敏感的意識到火星的軌道并不是一個圓周，他大膽的拋棄了長期以來人們認(rèn)為天體是以“勻速圓周運(yùn)動”的觀念。在進(jìn)行了無數(shù)次的試驗后，他找到了與事實較為符合的方案。這8分的誤差相當(dāng)于秒針0.02秒瞬間轉(zhuǎn)過的角度。在進(jìn)行了多次觀察后，開普勒終于發(fā)現(xiàn)這個曲線就是古希臘數(shù)學(xué)家早以研究過的橢圓；同時也發(fā)現(xiàn)每個行星都沿著橢圓軌道運(yùn)行，他還用三角定點法測出地球的軌道也是橢圓，斷定它運(yùn)動的線速度跟它與太陽的距離有關(guān)。
這就是行星運(yùn)動的第一運(yùn)動定律----軌道定律。正是這個不容忽略的8分偏離，使開普勒走上了天文學(xué)改革的道路。
后來他又通過計算發(fā)現(xiàn)：行星到太陽的連線（失徑）在單位時間里掃過的面積是不變的。這樣就得出了關(guān)于行星運(yùn)動的第二條定律----面積定律：“行星的向徑在相等的時間內(nèi)掃過相等的面積。”這兩條定律，刊登于1609年出版的《新天文學(xué)》一書。書中他還指出，這兩條定律同樣適用于其他行星和月球的運(yùn)動。
但是開普勒并沒有滿足于此，他認(rèn)為只有找到各個行星運(yùn)動的統(tǒng)一關(guān)系之后，才能夠構(gòu)造一個太陽系的整體模型，從而揭示出宇宙的和諧與一致。他花了大量的時間計算與分析行星與太陽的距離a和行星公轉(zhuǎn)周期T之間的關(guān)系。經(jīng)過10 年的努力，做了大量反復(fù)的觀察和計算后，終于發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動的第三條定律：“行星公轉(zhuǎn)周期的平方等于軌道半長軸的立方�！�
這一結(jié)果發(fā)表在1619年出版的《宇宙和諧論》中。開普勒開創(chuàng)了用數(shù)學(xué)公式表達(dá)定律的開先河。行星運(yùn)動三定律的發(fā)現(xiàn)為天文學(xué)奠定了基礎(chǔ)，開普勒的工作為牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律作了運(yùn)動學(xué)的準(zhǔn)備，導(dǎo)致數(shù)十年后萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)。
第谷的觀察整整持續(xù)了30年，他使用了精密的儀器，有明確的對象與完整的記錄，就是說他的觀察是完整和有效的。但是如何把隱藏在數(shù)據(jù)中規(guī)律挖掘出來，需要有比較多的數(shù)學(xué)知識。第谷只善于收集信息，可他并不善于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。就像開普勒說的那樣：“第谷是一個‘百萬富翁’，但是他不會用這些財富”。而開普勒是在第谷30年收集的觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使用數(shù)學(xué)這個有利的工具，經(jīng)過17年的艱苦努力，進(jìn)行了大量數(shù)據(jù)分析與計算之后，最終發(fā)現(xiàn)了行星的三大運(yùn)動定律，這也與他的數(shù)學(xué)直覺是有很大關(guān)系。
開普勒的天文學(xué)，完全是根據(jù)這一學(xué)科的目的、方法和基本原理對它進(jìn)行的一次全面的重建。在開普勒以前，天文學(xué)家的目標(biāo)純粹是攝影式的，也就是說，他們的目的是要創(chuàng)建一種（以一個圓套一個圓為基礎(chǔ)的）天體幾何學(xué)，這種幾何學(xué)給出的行星的位置是與觀察相一致的。開普勒要找出運(yùn)動真正的物理原因，亦即運(yùn)動的理由，而不僅僅是去發(fā)明或完善幾何系統(tǒng)。因為他認(rèn)為，太陽是這里所說的動力的中心，太陽肯定位于宇宙的中心。因此，真正的太陽——而不是哥白尼的“平太陽”——位于所有行星軌道平面共同的交叉點。
開普勒關(guān)心的是，在對軌道、對勻速運(yùn)動等等完全沒有任何隨意的或有限制力的限定的情況下，借用數(shù)學(xué)來找出由太陽的作用力所致的實際的行星軌道的曲線（大小、形狀、方向）。經(jīng)過一番辛苦的努力他發(fā)現(xiàn)，每一顆行星都是在呈橢圓形的、簡單凸曲線的軌道上運(yùn)動。對大多數(shù)行星而言（水星除外），其橢圓形軌道的形狀與純圓形相差不大，但是，太陽并非位處中心，甚至不是處在接近中心的位置上；情況很像是這樣，有一個圓形軌道（或者說，準(zhǔn)圓形的橢圓軌道），而太陽明顯地不在它的中心上（或者說是偏離中心的）。開普勒還發(fā)現(xiàn)，行星沿著橢圓軌道的運(yùn)動，并非是勻速的，而是直接與面積定律相吻合的。這個定律同時解釋了為什么每個行星在近比點（或在靠近太陽的軌道上）運(yùn)動得很快，而在遠(yuǎn)日點（遠(yuǎn)離太陽的地方）卻運(yùn)動得很慢。
開普勒為天文學(xué)的發(fā)展提出了一個革命性的綱領(lǐng)。因為他是一位喜歡反思的人，他較為詳實地記錄了他的思想觀點和方法的發(fā)展過程。他在《新天文學(xué)》中，他非常審慎而詳細(xì)地闡述了他的思想革命和信仰革命的各個時期；他把錯誤的計算結(jié)果也都記了下來，這樣，讀者就可以了解到他的思想和計算的演變過程，這些發(fā)展變化導(dǎo)致他最終拋棄了傳統(tǒng)的圓周運(yùn)動天文學(xué)，并且開始探索其他類可能的軌道的曲線。雖然讀者會對后面一頁又一頁對開紙上陷入絕境的計算感到厭煩，但開普勒提醒自己不要忘了他靠手算完成這些計算吃了多少苦。在得到了答案后，他把它們付樣出版了。隨著他的主要著作——或《宇宙的奧秘》（1596）、《新天文學(xué)》（1609）、《魯?shù)婪蛐潜怼罚?627）、或《宇宙和諧論》（1619）以及《哥白尼天文學(xué)概要》（1618－162）等的出版，一場思想革命完全變成了論著中的革命，書已出版，誰都可以閱讀和利用。
開普勒的三大定律，精確的描述了行星運(yùn)動的真實軌跡，被人們稱為天空的立法者。
1630年開普勒因為已經(jīng)幾個月沒有領(lǐng)到薪水，經(jīng)濟(jì)非常困難，不得不親自前往雷根斯堡索取。可他剛到那里就開始發(fā)高燒，幾天后1630年11月15日他在貧病交困中去世了。他死時，除一些書籍和手稿之外，身上僅剩下了7分尼（1馬克等于100分尼）。
開普勒所處的年代正值歐洲從封建主義社會向資本主義社會轉(zhuǎn)變的時期，他用自己長期研究的成果與神權(quán)的迷信觀點做斗爭，使人類的科學(xué)向前跨進(jìn)了一大步。馬克思高度評價了開普勒的品格，稱他是自己所喜愛的英雄。
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