哈雷彗星
1604年9月30日，开普勒在巨蛇星座附近发现了一颗新星(现知是银河系内的一颗超新星)。他虽视力不佳，仍持续观测了十几个月。他把观测结果发表在1607年出版的《巨蛇座底部的新星》一书中，打破了星座无变化的传统说法。这一年他看到了一颗大彗星，即后来定名的哈雷彗星。
当时不论是地心说还是日心说，都认为行星作匀速圆周运动。但开普勒发现，对火星的轨道来说，按照哥白尼、托勒密和第谷提供的三种不同方法，都不能推算出同第谷的观测相吻合的结果，于是他放弃了火星作匀速圆周运动的观念，并试图用别的几何图形来解释，经过四年的苦思冥想，也就是到了1609年他发现椭圆形完全适合这里的要求，能做出同样准确的解释，于是得出了"开普勒第一定律":火星沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳处于两焦点之一的位置。
开普勒
发现第一定律，就是说行星沿椭圆轨道运动，需有摆脱传统观念的智慧和毅力，在此之前所有天文学家，包括哥白尼和伽利略在内都坚持古希腊亚里士多德和毕达哥拉斯的天体是完美的物体，圆是完美的形状，一切天体运动都是圆周运动的成见。
哥白尼知道几个圆并起来可以产生椭圆，但他从来没有用椭圆形来描述天体的轨道。当时由于第谷观测的精确和开普勒的努力，终使日心说向前推进了一大步。接着开普勒又发现火星运行速度是不匀的，当它离太阳较近时运动得较快(近日点)，离太阳远时运动得较慢(远日点)，但从任何一点开始，向径(太阳中心到行星中心的连线)在相等的时间所扫过的面积相等。这就是开普勒第二定律(面积定律)。
这两条定律刊布在1609年出版的《新天文学》(又名《论火星的运动》)中，该书还指出两定律同样适用于其他行星和月球的运动。
开普勒于鲁道夫
1611年，开普勒的保护人鲁道夫被其弟逼迫退位，他仍被新皇帝留任。他不忍与故主分别，继续随侍左右。1612年鲁道夫卒，开普勒接受了奥地利的林茨当局的聘请，去作数学教师和地图编制工作。在这里他继续探索各行星轨道之间的几何关系，经过长期繁杂的计算和无数次失败，最后创立了行星运动的第三定律(谐和定律):行星绕太阳公转运动的周期的平方与它们椭圆轨道的半长轴的立方成正比。这一结果表述在1619年出版的《宇宙谐和论》中。
天文学上的贡献:
1604年，开普勒发现蛇夫座附近一颗新星，即"开普勒新星";
1611年，开普勒出版了近代望远镜理论著作《光学》;
1618-1620年，开普勒出版了《彗星论》一书，预言了太阳光辐射压力的存在;
1627年，开普勒出版了《鲁道夫星表》，直到18世纪一直被视为标准星表;
金星凌日
1629年，开普勒出版了《稀奇的1631年天象》一书，预言1631年11月7日将出现水星凌日【标注】现象，12月6日金星也将凌日。果然，在预报的日期，巴黎的加桑狄观测到水星通过日面，这是最早的水星凌日观测。由于金星凌日发生在夜间，因而当时的人们未能观测到开普勒的发现。
开普勒的理论与发现，哥白尼学说中托勒密的思想残余，给哥白尼体系带来了严谨性和规律性。开普勒关于天体运动的三大定律，则是无论自然界的星球，还是人造天体都必须遵循的规律。因此，他不仅为人类对宇宙天体的认识做出来了贡献，也为现代宇宙航行奠定了理论基础。
水星凌日
标注:由于水星和地球的绕日运行轨道不在同一个平面上，而是有一个7度的倾角。二者只有两个交点:升交点与降交点。因此，只有水星处于轨道上的这两个交点附近，而日水地三者又恰好排成一条直线时，在地球上可以观察到太阳上有一个小黑斑在缓慢移动，这种现象称为水星凌日。
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