Już jako student teologii protestanckiej w Tybindze, które rozpoczął 17 września 1589 roku, zapoznał się szczegółowo z teorią heliocentryczną Kopernika i odtąd stał się jej gorącym propagatorem. Jego pierwsza ważna praca astronomiczna, Mysterium Cosmographicum, była publiczną obroną systemu kopernikańskiego.
Dzięki współpracy z innym wielkim uczonym tego okresu, Tychonem Brahe oraz dostępem do jego wieloletnich badań Marsa, Kepler doszedł do wniosku, że najwłaściwszą krzywą po której porusza się planeta jest elipsa. Głębsza analiza umożliwiła mu precyzyjne określenie zmiennej prędkości orbitalnej planety w jej ruchu po elipsie. Rezultaty tych prac opublikował w roku 1609 w dziele Astronomia Nova.
Dalsze obserwacje galileuszowych księżyców Jowisza, odkrytych w 1610 przez Galileusza, potwierdziły trafność pierwszych dwóch praw Keplera o ruchu planet. Ułatwiły też Keplerowi, po kilku kolejnych latach, sformułowanie III prawa, opublikowanego w roku 1619 w Harmonices Mundi („Harmonia świata”). Wnioski z obserwacji ruchów Marsa potwierdzono wkrótce także dla orbit innych planet.
Te prawa, które na zawsze zmieniły postrzeganie otaczającego nas świata zostały nazwane Trzema Prawami Keplera.
W 1628 roku Kepler stał się oficjalnym doradcą Albrechta von Wallenstein Wallensteina dowódcy sił cesarza Ferdynanda. Na jego wezwanie w dniu 25 lipca 1628 roku na przybył wraz z żoną i dziećmi do Żagania. Książę żagański zapewnił mu mieszkanie, obserwatorium astronomiczne, zbudował drukarnię, wypłacał mu również coroczne stypendium. W Żaganiu Kepler skończył swoje dzieło Somnium astronomia lunari, czyli Sen o astronomii księżyca.
Dla uczczenia pobytu uczonego w pobliskim Żaganiu postanowiono nadać jego imię powstałego w roku 2015 Centrum Nauki w Zielonej Górze.