当开普勒在十六世纪末出生时，人们认为太阳系中的行星都绕地球做圆周运动。当然这种看法也会偶尔遇到问题，比如火星有时会表现出反向运行。不过这些问题都可以通过在行星运行轨迹上加上本轮得到解决。但是开普勒不光坚定地认为行星绕太阳运动，并且坚信行星的轨道并不是完美的圆形。他对行星运动的描述成为我们所熟知的开普勒定律。今天，这些定律不光用于描述行星的运动还用于确定卫星和空间站的轨道。
1571年12月，开普勒出生在德国南部位于符腾堡的威尔德斯达特镇上一个贫苦家庭中。幼年的开普勒体弱多病。但他得到了可以在蒂宾根大学学习的奖学金，在这里他学习如何做一个路德教会牧师。在大学里，他接触到尼古拉·哥白尼的日心说。1594年，开普勒成为奥地利格拉茨一所神学院的数学教授以及历法制定者。在空闲时间，他坚持学习天文学和占星术。在1596年，开普勒写下了对哥白尼学说的公开辩护。
考虑到1539年路德教派的创始人马丁路德在第一次听到这个理论时嘲弄过它，1615年天主教会也认为这是异端邪说，这在当时是一个危险的举动。
开普勒生活在一个正在发生巨大变革的时代。宗教领袖不愿放弃他们关于天堂的想法。天文学家提出的天空充满了沿非圆周轨道运行的物体以及其他与地球中心论模型相违背的物理现象威胁着他们的信仰。其实，开普勒的动机并不是要颠覆教会。
事实上，开普勒对于哥白尼学说的辩护并不是出于数学或者物理上的原因，反而是因为自己的宗教信仰，天体物理学家Paul Sutter写到。根据Sutter的说法，开普勒这样认为是由于耶稣基督出于基督教信仰的中心位置，所以太阳才应该是宇宙的中心。
为了搜寻关于行星运动最详细的记录，开普勒接触了第谷·布拉赫。
第谷是一位富有的丹麦贵族，他在布拉格建立了一座天文台，在那里他记录星体的运动并保持着那个时代对太阳系观测的最精确的记录。1600年，第谷邀请开普勒和自己一起工作。但是，第谷变得多疑并且不愿意和他的合作者分享自己的记录。然而他指定开普勒去解决火星运行的奇怪现象，这是当时天文届最为棘手的问题。讽刺的是，关于这颗行星的详细记录是开普勒解决太阳系运行之谜的必要工具。
1601年第谷去世时，开普勒在第谷家族将这些观测数据用于牟利之前设法得到了它们。
开普勒声称八天就能解决火星的问题，但事实上花费了近八年的时间。天文学家长期致力于解决火星周期性逆行的问题。没有哪个模型可以完美解释火星的逆行，即使是哥白尼的理论也做不到。利用第谷精确地观测数据，开普勒意识到行星其实是沿着椭圆轨道在运行。太阳并不是精确地处于轨道的中心，而是在旁边一点的位置，也就是被称为焦点的位置。
有的行星，比如地球，运行轨道和正圆非常接近，但是火星的轨道是最为反常的。行星沿椭圆轨道运行被称为开普勒第一定律。
开普勒第二定律发表在十年之后，他发现两颗行星运行周期之间的关系和两者分别到太阳的距离有关。特别地，两颗行星周期之比的平方等于两者轨道半径之比的三次方。尽管他的前两条定律关注的是某一个行星的运动，他的第三定律对照了两个行星的运动。正是这条定律，而不是那颗苹果，启发牛顿提出万有引力定律。开普勒完全可以被称为天体力学的发现者。
尽管开普勒最著名的发现是关于行星运动的规律，但他对自然科学还有诸多重要贡献。
他是第一个阐明折射光产生视力以及双眼使人产生深度知觉的人。他发明了近视镜和远视镜并解释了其中的原理。他第一次阐述了成像和放大率问题并理解了反射的性质。开普勒称引力是两个物体而不是单独一个物体引起的。同样的，是月球引起了地球表面的潮汐现象。如果地球不再吸引海水，那么海水就会被月亮吸去。如果月球的吸引力可以到达地球，那么地球的吸引力也能抵达月球甚至更远。他提出太阳也在转动并且发明了“卫星”这个词。
他尝试利用自己关于地球运行引起的视差测量远处星体的距离。开普勒还用自己的知识计算了耶稣出生的年份。