在奧地利期間，開普勒深入地思考了哥白尼的理論，並且將它和托勒密的學說相比較。開普勒讚歎哥白尼體係所顯示的數學的和諧美，他從中看到了真實的宇宙圖景。開普勒致力於探測六大行星的軌道大小之間的數字關係。開普勒很善於抽象思維，他在1596年發表了他的第一部天文著作《宇宙的神秘》。在這本書裏開普勒用一套內切球和正多麵體勾畫了一個極其神秘的宇宙模型。當第穀讀了這本書後，對他的才華極為賞識，稱讚這套內切球體和正多麵體為一個聰明的完美的構想。現在看來，開普勒的這套宇宙模型有點荒唐可笑，但在當時它畢竟是支持哥白尼觀點的論文，而且在論文中提出了對行星數目和運動機製的探討，這是在牛頓提出萬有引力學說之前非常有開拓性的思想。在這之前沒有人考慮過行星運動的物理機製問題。
1598年奧地利暴發了天主教與新教之間的宗教衝突，開普勒是一位新教徒，在那兒不斷受到迫害，隻好跑到匈牙利去。正當開普勒處於痛苦和失望之中時，丹麥天文學家第穀向他伸出了友誼之手。他接到第穀的邀請，請他去布拉格協助整理觀測資料。開普勒於1600年來到了布拉格。一接觸到第穀無比豐富的天象資料，開普勒就發現自己從前構造的美妙的宇宙模型漏洞百出。盡管當時開普勒對自己的宇宙模型欣賞至極，但當他一旦發現原有的模型與實際的觀測事實不符時就堅決地拋棄了它。在第穀的身邊，開普勒學會了重視和處理大量的天文觀測資料。遺憾的是他們合作沒有多久，第穀便去世了。臨終前第穀告誡開普勒：一定要尊重觀測事實。開普勒認為他與第穀的相遇是命裏注定的。他說：“上帝通過一種不可改變的命運把我和第穀聯在一起，即使我們發生了嚴重的爭執也不許我們分手。”他們倆人在一起總共不過10個月。開普勒高度評價第穀，認為他是一位上帝施給人們的勤奮的觀測家。開普勒與第穀的結合是歐洲科學史上最偉大的事件，兩位個性迥異的科學家的結合標誌著自然科學兩大基礎——經驗觀測和數學理論的結合。第穀獲得的大量觀測資料，經過開普勒的分析推理，總結出了行星運動的規律。
在第穀觀測材料的基礎上，開普勒繼續尋找宇宙的秩序，他利用第穀的觀測數據巧妙地算出了包括地球在內的六大行星的運行軌道，並進一步總結行星運動所遵循的數學規律。他選中了火星作為突破口，因為第穀留下的資料中火星的最為豐富，而且火星的運行觀測資料與哥白尼理論出入最大。經過緊張艱苦的歸納、整理、試探，開普勒發現了火星繞太陽運行的規律。1609年他發表了《新天文學》一書，闡述了他對火星運動規律的發現。他確認火星運動的軌道是橢圓。火星劃出了一個以太陽為焦點的橢圓（開普勒第一定律）；由太陽到火星的矢徑在相等的時間內劃出相等的麵積（開普勒第二定律）。1618年開普勒出版了《哥白尼天文概要》。盡管該書取名為《哥白尼天文概要》，其實它的主要內容不是介紹哥白尼的天文學，而是係統地介紹了開普勒自己的天文理論。在這本書中，他將已經發現的火星運動的兩大定律推廣到了太陽係的所有行星，同時公布了他所發現的第三定律：行星公轉周期的平方和它到太陽距離的立方成正比，這就將所有行星的運動與太陽緊密地聯係在一起。這樣太陽係的概念就牢牢地建立起來了。行星按照開普勒定律有條不紊地遨遊太空，開普勒成了“天空立法者”。