《天體運行論》
哥白尼認識到《淺說》中的論斷是以假設的方式提出的，且他的模型所用的數據並非親自觀測得出，缺乏可信度。1515年，哥白尼便開始著手準備撰寫《天體運行論》這一更為完整的論著。十幾年來，哥白尼進行了大量的天文觀測，收集了大批資料，終於在1533年完成了這部巨著的初稿，隨後，他又長期進行觀測、驗證、修改，使得他的宇宙體係更具說服力，成為一種科學理論。
《天體運行論》
《天體運行論》的第一卷是全書的精髓，先後論述了“宇宙是球形”、“大地也是球形”、“天體的運動是均勻永恒之圓運動或複合運動”。哥白尼說，“天體的這種旋轉運動對於球來說是固有的性質，它反映了球形的特點。球這種形狀的特點是簡單、沒有起點、也沒有終點，旋轉時不能將各部分相區別。而且球體形狀也正是旋轉作用本身造成的。”
哥白尼讚同畢達哥拉斯學派的主張，即應當用簡明的幾何圖像來表示宇宙的結構和天體的運行規律。在第一卷的第十章中，哥白尼正確地將行星以及地球繞日運轉軌道進行排列，並刊載了他的宇宙模型圖。這張我們現在看似普通的天球次序圖，在當時卻是人類認識宇宙的一次巨大的飛躍。
哥白尼在《天體運行論》中還詳細講解了地球的三種運動（自轉、公轉、赤緯運動）所引起的一係列現象，歲差現象、月球運動、行星運動及金星、水星的緯度偏離和軌道平麵的傾角。《天體運行論》的誕生使當時所知道的太陽係內天體的位置和運動狀況更為完整了。
然而，這部偉大著作的出版卻經曆了一個艱難而曲折的過程。
16世紀30年代初，哥白尼的新理論已開始在歐洲流傳，他的朋友們更竭力在意大利高級教會人士中傳播他的新理論和觀點。他們試圖通過這種辦法為哥白尼公布自己的學說鋪平道路，從而實現當時的科學革命。在眾多好友的努力下，紅衣主教尼古拉·申伯格對哥白尼的學說產生了巨大的興趣，他在1536年11月1日給哥白尼寫了一封信，想了解哥白尼的學說，信中用肯定態度談到了“日心學說”中的日、土、月三個天體的位置。然而這位開明的紅衣主教在第二年便去世了，沒能夠成為哥白尼學說的庇護人。
在《天體運行論》完成後，哥白尼卻對它的出版猶豫不決了。他擔心這部書出版後會遭受到地心說信徒們的攻擊，並受到教廷的壓製。在朋友和學生的支持鼓勵下，經過長期反複的考慮，哥白尼終於決定出版這部著作。1542年，哥白尼給教皇保羅三世寫了一封信，尋求教皇的庇護。他相信教皇將用自己的威嚴與威望保護他，令他的學說免遭譴責。然而，這一切並沒有如他所願，這封哥白尼用來作為《天體運行論》序言的信卻隻是起到引子的作用。
1542年6月，《天體運行論》和排印工作開始進行，負責這本書出版事宜的奧西安德爾卻按自己的意願寫了一篇沒有署名的序言，說明書中的學說隻是為了計算星曆表之便而采用的假設，不一定和實際情況相符。這也是在《天體運行論》出版後幾十年時期內很少有人重視哥白尼理論的一個重要原因。哥白尼的學生雷蒂庫斯對此事感到十分憤慨，他曾多次要求著作的出版人發行改正版，但這些要求都未能實現。
1543年5月24日，彌留之際的哥白尼終於見到剛剛出版的《天體運行論》，可惜當時他已經因為腦溢血而雙目失明，他隻摸了摸書的封麵，便與世長辭了。
由於哥白尼的學說觸犯了基督教的教義，遭到了教會的反對，其著作更是被列為禁書，但真理是封鎖不住的，哥白尼的學說得到了許多科學家的繼承和發展。1882年，羅馬教皇不得不承認哥白尼的學說是正確的。這一光輝學說經過三個世紀的艱苦鬥爭，終於獲得完全勝利並為社會所承認。
哥白尼的曆史地位
哥白尼是歐洲文藝複興時期的一位巨人。他用畢生的精力去研究天文學，為後世留下了寶貴的遺產。由於時代的局限，哥白尼隻是把宇宙的中心從地球移到了太陽，並沒有放棄宇宙中心論和宇宙有限論。在德國的開普勒總結出行星運動三定律、英國的牛頓發現萬有引力定律以後，哥白尼的太陽中心說才更加穩固。從後來的研究結果證明，宇宙空間是無限的，它沒有邊界，沒有形狀，因而也就沒有中心。雖然哥白尼的觀點並不完全正確，但完全正確的是他的理論的提出給人類的宇宙觀帶來了巨大的變革。
恩格斯在《自然辯證法》中對哥白尼的《天體運行論》給予了高度的評價。他說：“自然科學借以宣布其獨立並且好像是重演路德焚燒教諭的革命行動，便是哥白尼那本不朽著作的出版，他用這本書（雖然是膽怯地而且可說是隻在臨終時）來向自然事物方麵的教會權威挑戰，從此自然科學便開始從神學中解放出來。”