1604年9月30日，開普勒在巨蛇星座附近發現了一顆新星（現知是銀河系內的一顆超新星）。他雖視力不佳，仍持續觀測了十幾個月。他把觀測結果發表在1607年出版的《巨蛇座底部的新星》一書中，打破了星座無變化的傳統説法。這一年他看到了一顆大彗星，即後來定名的哈雷彗星。
當時不論是地心説還是日心説，都認為行星作勻速圓周運動。但開普勒發現，對火星的軌道來説，按照哥白尼、托勒密和第谷提供的三種不同方法，都不能推算出同第谷的觀測相吻合的結果，於是他放棄了火星作勻速圓周運動的觀念，並試圖用別的幾何圖形來解釋，經過四年的苦思冥想，也就是到了1609年他發現橢圓形完全適合這裏的要求，能做出同樣準確的解釋，於是得出了“開普勒第一定律”：火星沿橢圓軌道繞太陽運行，太陽處於兩焦點之一的位置。
開普勒
發現第一定律，就是説行星沿橢圓軌道運動，需有擺脱傳統觀念的智慧和毅力，在此之前所有天文學家，包括哥白尼和伽利略在內都堅持古希臘亞里士多德和畢達哥拉斯的天體是完美的物體，圓是完美的形狀，一切天體運動都是圓周運動的成見。
哥白尼知道幾個圓並起來可以產生橢圓，但他從來沒有用橢圓形來描述天體的軌道。當時由於第谷觀測的精確和開普勒的努力，終使日心説向前推進了一大步。接着開普勒又發現火星運行速度是不勻的，當它離太陽較近時運動得較快（近日點），離太陽遠時運動得較慢（遠日點），但從任何一點開始，向徑（太陽中心到行星中心的連線）在相等的時間所掃過的面積相等。這就是開普勒第二定律（面積定律）。
這兩條定律刊佈在1609年出版的《新天文學》（又名《論火星的運動》）中，該書還指出兩定律同樣適用於其他行星和月球的運動。
開普勒於魯道夫
1611年，開普勒的保護人魯道夫被其弟逼迫退位，他仍被新皇帝留任。他不忍與故主分別，繼續隨侍左右。1612年魯道夫卒，開普勒接受了奧地利的林茨當局的聘請，去作數學教師和地圖編制工作。在這裏他繼續探索各行星軌道之間的幾何關係，經過長期繁雜的計算和無數次失敗，最後創立了行星運動的第三定律（諧和定律）：行星繞太陽公轉運動的週期的平方與它們橢圓軌道的半長軸的立方成正比。這一結果表述在1619年出版的《宇宙諧和論》中。
天文學上的貢獻：
1604年，開普勒發現蛇夫座附近一顆新星，即“開普勒新星”
1611年，開普勒出版了近代望遠鏡理論著作《光學》
1618-1620年，開普勒出版了《彗星論》一書，預言了太陽光輻射壓力的存在
1627年，開普勒出版了《魯道夫星表》，直到18世紀一直被視為標準星表
金星凌日
1629年，開普勒出版了《稀奇的1631年天象》一書，預言1631年11月7日將出現水星凌日【標註】現象，12月6日金星也將凌日。果然，在預報的日期，巴黎的加桑狄觀測到水星通過日面，這是最早的水星凌日觀測。由於金星凌日發生在夜間，因而當時的人們未能觀測到開普勒的發現。
開普勒的理論與發現，哥白尼學説中托勒密的思想殘餘，給哥白尼體系帶來了嚴謹性和規律性。開普勒關於天體運動的三大定律，則是無論自然界的星球，還是人造天體都必須遵循的規律。因此，他不僅為人類對宇宙天體的認識做出來了貢獻，也為現代宇宙航行奠定了理論基礎。
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