哥白尼生活的時代，有著一種可以自由思想、質疑和修正以往學說的學術氣氛，正是這種氣氛，給人們的創造性以無限空間。哥白尼親眼目睹了人文主義者同中世紀衛道士之間政治上以及世界觀、科學觀、社會秩序觀上的尖銳鬥爭。當他聽了當時歐洲著名的數學家和天文學家沃伊切赫提出的“月亮的軌道是橢圓的”等諸多著名論斷後，哥白尼開始對人們長期信奉的理論的絕對性產生了懷疑，他甚至發現了當時奉為權威的托勒密學說中的矛盾之處。舅舅出於好心，勸哥白尼不要選擇天文學而攻讀醫學，因而，他在大學畢業時獲得的是醫學證書。
有意思的是，哥白尼對數學、天文學的酷愛不僅不與醫學矛盾，反而有著相輔相成的關係。大學期間，哥白尼已經掌握了計算時間和推算日曆的繁瑣技術。在意大利學習期間，他又努力學習埃及和中國曆法，並且反複核算了各種曆法，這些都為他以後的天文學發現奠定了基礎。
在中世紀的歐洲，人們為了解決生活問題，能選擇的最好職業就是出家當僧侶，哥白尼準備當修士，一輩子擔任教會職務。於是他在舅舅的安排下到意大利學習教會法。哥白尼興趣廣泛，他鑽研數學和天文學，並閱讀了大量文獻。1503年，哥白尼獲得了教會法博士學位。
從意大利回到波蘭後，哥白尼很關心教區貧民的疾苦，開始兼作醫生，由於醫術高明，他贏得了病人和同行的讚賞。但作為一個牧師，他並沒有把全部精力放在宗教職位上，而是傾注於天文學的研究和觀測方麵。哥白尼不管春夏秋冬，三十年如一日，每天都堅持用自製的簡陋儀器，進行觀測和計算，終於完成了他的天體運行學說。
哥白尼認為從前人們以為的太陽繞地球運轉是錯誤的，事實是地球自轉並繞太陽運動，就像人們坐在大船上行駛，感覺不到船動，隻見岸上的東西在後移一樣。哥白尼學說的誕生，在自然科學發展史上具有劃時代的深遠意義，它引起了人類宇宙觀的巨大變革。當時，一些宗教人物一聽說哥白尼在觀測天象，檢驗“地心說”的真偽，就惶恐不安，於是便雇傭一幫人誹謗中傷，幹擾哥白尼的天文研究。他們當眾挖苦哥白尼：“大家來看哪！連傻子也看得出太陽在動，地球不動，哥白尼真是豈有此理，硬說太陽不動，地球動。”哥白尼一生謙讓謹慎，但是，要推翻常識性的見解，不但要靠科學，更要靠勇氣。他常對嘲笑挖苦付之一笑：“天體的運行絲毫也不會為這些笨蛋的嘲弄或尊敬而受絲毫影響。”
哥白尼觀測計算的數值精確度極高。他認為恒星年的時間為365天6小時9分40秒，僅比現在的精確值多約30秒。
哥白尼的不朽巨著《天體運行論》直到他快70歲時才決定出版，當時的惡劣環境使他害怕危及自己的學說。正是在他生命最後一天，1543年5月24日，他從印刷商那裏收到了這部著作的樣書。
哥白尼的天文學思想及其新的宇宙體係，不僅否定了占統治地位近2000年之久的亞裏士多德—托勒密學說，而且徹底動搖了宗教教義的基礎，使“創世說”中有關上帝創造世界的描述成為一派胡言。這無疑讓教會和神學家感到恐懼和不安，就連宗教改革家路德也認為哥白尼的學說是危險的，並稱哥白尼是“白癡”，說他想搞出點新鮮玩意兒，企圖混淆視聽，欺世盜名。即使在哥白尼逝世後，教會方麵也沒有放鬆對他的譴責。1616年，羅馬教廷將哥白尼的《天體運行論》列為禁書，以阻撓日心說理論的傳播。
然而，真理是不可戰勝的。繼哥白尼之後，無數科學家鍥而不舍，努力探索，以無可辯駁的論據證明了哥白尼理論的正確性。羅馬教廷也不得不在300多年後宣布取消對《天體運行論》一書的查禁。哥白尼的天文學思想終於被世人廣泛接受。
沃德卡是哥白尼少年時期最敬重的一位老師。一天，哥白尼去沃德卡家拜訪，老師不在。他順手從書架上抽出一本書，打開一看，老師在折了角的地方寫了一條批注：“聖誕節晚上，火星和土星排成一種特殊的角度，預示著匈牙利的皇上卡爾溫有很大的災難。”
正在這時，沃德卡推門走進來。他見哥白尼在家裏看書，高興地說：“孩子，又看什麼書了？”
哥白尼畢恭畢敬地把書遞過去，老師邊接書邊關切地問：“能看懂嗎？”
哥白尼認真地回答說：“老師，我看不懂。火星也好，土星也好，都是天上的星星，他們與卡爾溫毫無關係，怎麼能預示他的禍福呢？”
“怎麼不能呢？”沃德卡反問道，“命星決定一切！”
哥白尼當仁不讓，大聲反駁道：“如果是這樣，那人還有沒有意誌？如果有，人的意誌和天上的星星又有什麼關係？”