了解到古希臘人曾有過地球繞太陽轉動的學說，他受到很大啟發(fā)。他分析了托勒密體系中的行星運動，發(fā)現(xiàn)每個行星都有3種共同的周期運動：一日一周、一年一周和相當于歲差的周期運動。他認為，如果把這3種運動都歸到被托勒密視為靜止不動的地球上，就可以消除他的體系里不必要的復雜性。

因此，哥白尼建立起一個新的宇宙體系——日心體系，即太陽居于宇宙的中心靜止不動，而包括地球在內的行星都繞太陽轉動。哥白尼把統(tǒng)率整個宇宙的支配力量賦予太陽，各個天體則都有其自然的運動。他系統(tǒng)而明晰地批判了地球中心說，并且從物理學的角度對日心地動說可能遭到的責難提出了答復。

哥白尼用了“將近4個9年的時間”去測算、校核、修訂他的學說。但是，他遲遲不愿將他的《天體運行論》公開出版，因為，他知道他的書一經(jīng)刊布，便會引起各方面的攻擊。當哥白尼終于聽從朋友們的勸告，將他的手稿送去出版時，他想出一個辦法，在書的序中寫明將他的著作大膽地獻給教皇保羅三世。

《天體運行論》還有另外一篇別人寫的前言。當時哥白尼已重病在身，他輾轉委托教士奧塞安德爾去辦理排印工作。這位教士為使這書能安全發(fā)行，假造了一篇無署名的前言，說書中的理論不過是為編算星表、預推行星的位置而想出來的一種人為的設計。這個“迷眼的沙子”起了很大的作用，在半個多世紀的時間里，騙過了許多人。1542年秋，哥白尼因中風而半身不遂。1543年，當一本印好的《天體運行論》送到他的病榻的時候，他已處于彌留之際了。