ヨハネス・ケプラーは，ドイツ南部のヴァイル・デア・シュタットという町で，傭兵の父と居酒屋を営んでいた母の間に生まれた．子どものころに天然痘で視力を落としたが，数学に関して天才的な才能を持っていたために，周囲がその才能を惜しんで援助し，学業への道が開けた．大学でコペルニクスの「天球回転論・六巻」にふれ，火星の逆行の説明などに納得したケプラーは，太陽中心説をもとに惑星の軌道半径が軌道に内接する正多面体の性質に決まっているというモデルに到達し，1596年に「宇宙の神秘」を著した．
この著作に感銘したデンマークの天文学者ティコ・ブラーエは，彼が集積している天文学的データの解析を依頼する書簡をケプラーに送った．この天文学的データは，当時としては最高の観測精度を持つ機器を駆使して取得されていた．要請に応じて，ケプラーはプラハに移り，最も解析の難しい火星軌道の解析に着手したが，研究に十分なデータは提供されなかった．これが後に，「ケプラー疑惑」とよばれる毒殺説に結びつく根拠になった．事実，1601年にティコが急死すると，ケプラーはその観測データを自由に利用できるようになった．
しかし，火星軌道の解析はケプラーの思うようには進まなかった．ケプラーも最初は完全な円で火星軌道の解析をしたからである．5年以上の試行錯誤の後，ケプラーは観測データを用いて，実際に地球と火星軌道を作図してみる，という方法を採用した．描かれた火星軌道に完全な円をあてはめると角度にして８分角の差があった．この角度差は観測精度の10倍以上の大きさで無視ができない．コペルニクスが想定していた惑星運動の原動力が太陽にある，という考えに基づけば，火星と太陽間の距離は火星の速度と関連して変化するはずである．そこで，ケプラーは古代ギリシャからの伝統を捨て，太陽からの距離が変化するようなさまざまな図形をあてはめ，最終的に火星軌道は楕円である，という結論に達した．これが，ケプラーの第一法則と第二法則で，1609年に「新天文学」として出版・公表された．
このころ，ガリレオからケプラーに望遠鏡を使って天体観測をしたという知らせる手紙が届いた．光学の理論的な研究も行っていたケプラーは，ガリレオの望遠鏡を改良して，接眼部に凸レンズを用いた望遠鏡の方が広い視野が得られることを指摘した．
その後，ケプラーは，他の惑星についても解析を進め，当時知られていた5つの惑星について，「惑星軌道の平均距離の三乗と公転周期の二乗の比は，惑星によらず一定である」というケプラーの第三法則を発見した．この法則は，1619年に「世界の調和」という本で出版・公表された．当時，神聖ローマ帝国皇帝から帝国数学官として任官していたケプラーは，この法則を用いて惑星位置を計算し，占星術や航海術の基礎データ表として「ルドルフ表」を公表した．このデータ集は観測される惑星位置と正確に一致し，以降，天体位置計算は太陽中心説によって作成されるようになった．しかし，このような業績にもかかわらず，三十年戦争が続いている状況で，ケプラーには給与が支払われず，1630年にこの請求のための旅の途中で亡くなってしまった．