為提高儀器的觀測精度，他還十分注意度盤刻度的劃分，提出了著名的橫斷點分弧法，他將度盤中的1°分為6等分，每等分又在橫向斜刻了10個點，這樣1°內就有60個點，從而使刻度精確到1′。
第穀有一批訓練有素的助手，最多時達到40人，其中著名的有朗格蒙太努、威蒂等。朗格蒙太努是一位窮苦農民的兒子，他不願像父親一樣一輩子種地，15歲進一所中等學校讀書，16世紀80年代初考入哥本哈根大學，很可能由於經濟上原因，隻讀了一年便輟學到天堡當助手，此後一直和第穀在一起，直到1597年兩人都離開了汶島。威蒂在1580年前後在汶島當第穀的助手，1584年到達卡塞爾在威廉四世伯爵處當助手，他曾向這位伯爵詳細描繪過第穀的儀器，並介紹了第穀的“橫斷點分弧法”。伯爵聽了非常心動，以致於他專門聘請了一位儀器製造匠，按照威蒂所描繪的圖樣來改進自己的儀器。第穀對自己的所有助手要求都十分嚴格，要求他們一絲不苟地進行天文觀測，準確地記下每個觀測數據。
由於擁有舉世無雙的儀器以及具有高超的觀測技術，因此第穀和他的助手們的觀測精度在望遠鏡問世以前是首屈一指的，所測天體位置的誤差已小於2′，幾乎已達到肉眼觀測所能獲的精度極限。
第穀到達汶島一年多後，就碰上了一次罕見天象——1577年大彗星。第穀首次見到它是在這年11月13日傍晚，從這日起直到翌年1月26日，他一直對它進行了認真、仔細的觀測。那時，天堡中幾架大型儀器還未建成，他用當時已建成的幾架尺寸較小的儀器進行了觀測，測定它的坐標位置，研究是否隨著天穹的旋轉而存在視差位移，他得出結論，該彗星離地球的距離至少為月亮與地球距離的三倍。公元前4世紀，古希臘著名哲學家亞裏士多德曾提出，彗星是地球大氣中的產物，這種見解直到第穀時代還有很多信奉者。第穀對彗星距離的測定有力地否定了這種錯誤見解。亞裏士多德還提出了一種多重天球層的宇宙理論，這些天球層是一係列以地球為中心的同心球，它們以不同的速度繞地球旋轉，由於它們像水晶一樣透明，所以不為人們所見，太陽、月亮以及諸行星分別位於這一係列天球層的某幾層上，它們的視運動正是這一係列天球層組合運動的產物。第穀發現1577年大彗星實際上在離地球好多倍月地距離處繞著太陽運轉，它在運動過程中輕易地穿越了亞裏士多德的一個個天球層而未受到任何阻礙，這表明亞裏士多德所提出的這種天球層根本不存在。第穀指出，亞裏士多德的許多見解來自於思辯，而不是來自於實際的天文觀測。
在汶島，第穀後來還觀測了1580年、1582年、1585年和1590年出現的幾顆肉眼可見的彗星，但1577年大彗星無疑是他觀測最深入、獲得成果最多的一顆彗星，甚至十一年之後，在他1588年出版的拉丁文著作《最新天象一覽》中，還對該彗星作了專門論述。
第穀精確測定了大量恒星的位置，編製出版了一部列有777顆恒星坐標的星表。該星表的精度遠高於古希臘的依巴穀星表和中世紀阿拉伯世界的烏魯伯格星表，已達到了望遠鏡問世前憑借古代天文儀器觀測所能達到的精度極限。
第穀在汶島最寶貴的天文觀測資料是有關行星方麵的，他和他的助手們堅持年複一年地測定各顆行星的視位置和它們在天球上的視運動，積累了大量行星運動的寶貴觀測資料，正是這些資料為開普勒建立行星運動三定律準備了條件。
第穀不僅精於天文觀測，而且也在考慮宇宙體係這個大問題。他對哥白尼的日心宇宙體係有清晰的了解，曾欽佩地寫道：“哥白尼把我們從過去數學家所陷入的矛盾裏解放出來，而且他的理論與實際天象更相吻合。”但他又惋惜這一體係無法與上帝創世、人類中心的宗教觀念相調和。他還試圖去實測恒星的視差位移——如果地球真的在繞著太陽公轉，在半年中它從繞太陽公轉軌道的一端走到另一端，恒星就應該出現視差位移。但他經過仔細測量，卻沒有測到任何一顆恒星存在著這樣的視差位移。於是他認為哥白尼主張的地球繞太陽轉動的理論與實際天文觀測並不符合。最後他提出了一個介於哥白尼日心體係和托勒玫地心體係之間的折衷體係——第穀宇宙體係。這一體係認為五大行星繞太陽運行，太陽帶著它們繞在宇宙中心靜止不動的地球轉動，最外層的恒星天每天繞地球轉動一周。這一體係完成於1582年，起初第穀隻是把它畫在星堡頂樓的天花板上。1588年，在他出版的拉丁文著作《最新天象一覽》中正式公布了這一體係。在該書中，第穀還認為彗星也像行星一樣，它也在圍繞太陽的近圓軌道上運轉。