王貞儀在京城中為了研究天文、氣象，她除了不斷汲取前人的研究成果，不斷總結自己的實踐之外，還經常獨自一人在庭院中仰望星辰，觀察天上大小星辰的運動和變化，識辨各種雲層的流動和形態。不管是夏日炎炎的酷暑，北風呼呼的嚴寒，她總是堅持觀察，常常從傍晚直到深夜，有時甚至到天明。她把觀察到的現象、心得都記錄下來，進行分析研究。遇有疑難，就查閱大量資料，反複比較、核對。沒有儀器設備，她硬是靠肉眼仔細觀察。日積月累，使她掌握了豐富的天文知識，她能依據天空中雲彩的變化，預測短期的天氣陰晴雨霧的變化，通過早澇晴雨的分析，可以估計到農業生產的豐歉。
王貞儀博覽群書，楔而不舍。對古籍中的天文資料她仔細體會，吸取營養。當時一些曆書將恒星年同回歸年的區別說成了起於漢武帝進行太初改曆的時候。王貞儀指出，這種差別並不是起於《太初曆》，而是自晉代虞喜發現“歲差”以後才“天自為天，歲自為歲”。
曆書上還說，由於歲差，春分點逐漸東移。王貞儀也指出，這是錯誤的。歲差引起的春分點移動是西移而不是東移。另有一些人認為，歲差可以用“土圭”測得。王貞儀指出，上圭隻能測日影，哪能測歲差？歲差隻有用“中星法”才能測出。
除了精勤觀測，刻苦鑽研，王貞儀還非常重視學習當時的先進科學。天文學離不開計算，因此她對清初曆算家梅文鼎的著作非常推崇，尤其看重《籌算》和《曆算》兩本。
梅文鼎曾測得地理經度圈上的一度弧長等於250裏，王貞儀把這個結果引申到天球中，指出，地差1000裏，天頂差五度。她還認識到，隨著地理緯度的不同，各地北極出地高度也就不同，因此，恒星隱顯，晝夜長短，都會隨地理緯度的不同而有差別。
現代天文學對這個問題的研究，除了測量的更加精確外，就其整體來說，王貞儀當年的解釋也是非常正確的。另外，隨著明末清初以來西方傳教士來華活動，當時西方的各種天文學理論也都傳到中國來了。王貞儀對這些東西並不囫圇吞棗，而是批判地吸收，有選擇地使用。她既知道哥白尼的日心體係，也了解第穀的折衷體係。她認為“西曆雖至密，亦未能言概準，”“有所可行，即有不可行；有所是，即有不是。”
乾隆五十八年八月初七，在整個翰林院都在討論地球到底是不是一個圓的時候，大清唯一一位女天文學家，發表了自己《地圓論》學說，為李塵的想法提供了中國式的理論依據，《地圓論》說，地上的人都以自己居住的地方為正中，因此遠看別的地方都是斜立的.似乎都該傾倒，實際都不倒，難道不是因為各地的人頭上都是大，腳下都是地都是小。
這就是說，人們生活的地球，處於四周都是天空的空問之中，對宇宙空間來說，任何地方的人頭上都是天，腳下都是地。在廣闊無垠的宇宙空間中，沒有上、下、側、正的嚴格區別。而造成這種原因的便是大自然之中類似於磁鐵之間的一種奇怪的無形的力，王貞儀把它稱為吸引力。
長達萬言的《地圓論》用了一個個精密的數字，一個個詳細的實驗，驗證了王貞儀所說的地圓論。
正月初七夜裏，這部《地圓論》被刑部主事，乾隆五十二年殿試一甲二名孫星衍