哥白尼认识到《浅说》中的论断是假设的方式提出的，且他的模型所用数据并非亲自观测得出，因此缺乏可信度。1515年，哥白尼便开始着手准备撰写《天体运行论》这一更为完整的论著。十几年来，哥白尼进行了大量的天文观测，收集了大批资料，终于在1533年完成了这部巨著的初稿，随后，他又长期进行观测、验证、修改，使得他的宇宙体系更具说服力，成为一种科学理论。

    《天体运行论》的全书共六卷。第一卷为宇宙论，简述了整个宇宙的结构，是全书的精髓。这一卷分四章，先后论述了“宇宙是球形”、“大地也是球形”、“天体的运动是均匀永恒之圆运动或复合运动”。哥白尼说，“天体的这种旋转运动对于球来说是固有的性质，它反映了球形的特点。球这种形状的特点是简单、没有起点、也没有终点，旋转时不能将各部分相区别。而且球体形状也正是旋转作用本身造成的。”

    哥白尼赞同毕达哥拉斯学派的主张，即应当用简明的几何图象来表示宇宙的结构和天体的运行规律。在第一卷的第四章中，哥白尼正确地将行星以及地球绕日运转轨道进行排列，并刊载了他的宇宙模型图。这张我们现在看似普通的天球次序图，在当时却是人类认识宇宙的一次巨大的飞跃。

    第二卷运用三角学论证天体运行的基本规律，其中哥白尼首创了平面三角和球面三角的演算方法；第三卷为恒星表；第四卷叙述了地球绕轴运行和周年运行；第五卷阐述了地球的卫星月球；第六卷是关于行星运行的理论。

    哥白尼在《天体运行论》中还详细讲解了地球的三种运动(自转、公转、赤纬运动)所引起的一系列现象，岁差现象、月球运动、行星运动的及金星、水星的纬度偏离和轨道平面的倾角。《天体运行论》的诞生使当时所知道的太阳系内天体的位置和运状况更为完整了。

    然而，这部伟大著作的出版却经历了一个艰难而曲折的过程。

    早在1530年，哥白尼曾将自己的研究成果，加工整理，写成一篇科学论文，称为《短论》，以手稿的形式赠给欧洲的一些学者传阅。人们对他的学说的态度反映不一，有的拥护，有的坚决反对。他的朋友们更竭力在意大利高级教会人士中传播他的新理论和观点。他们试图通过这种办法为哥白尼公布自己的学说铺平道路，从而实现当时的科学革命。

    在众多好友的努力下，红衣主教尼古拉·申伯格对哥白尼的学说产生了巨大的兴趣，他在1536年11月1日给哥白尼写了一封信，想了解哥白尼的学说，信中用肯定态度谈到了日心学说中的日、土、月三个天体的位置。然而这位开明的红衣主教在第二年便去世了，没能够成为哥白尼学说的庇护人。

    在《天体运行论》完成后，哥白尼却对它的出版犹豫不决了。他但心这部书出版后会遭受到地心说信徒们的攻击，并受到教廷的压制。在朋友和学生的支持鼓励下，经过长期反复的考虑，哥白尼终于决定出版这部著作。1542年，哥白尼给教皇保罗三世写了一封信，寻求教皇的庇护。他相信教皇将用自己的威严与威望保护他，令他的学说免遭谴责。然而，这一切并没有如他所愿，这封哥白尼用来做为《天体运行论》序言的信却只是起到引子的作用。

    1541年秋，哥白尼唯一的弟子，德国维登堡大学年轻的数学教授雷提卡斯，把《天体运行论》的手稿，送往纽伦堡出版。由于雷提卡斯坚信哥白尼的学说，受到教会的迫害，不得不背井离乡逃避教会的追捕。临走之前他委托自己的朋友，牧师奥西安德尔代他出版哥白尼的著作。

    然而就是这个牧师在《天体运行论》中，按自己的意愿写了一篇没有署名的怯懦的序言，这篇序言完全改变了作者的主张，他和书中的内容很不协调。说这本书中的学说只是为了计算星历表之便而采用的假设，不一定和实际情况相符。这也是在《天体运行论》出版后几十年时期内很少有人重视哥白尼理论的一个重要原因。哥白尼的学生雷提卡斯对此事感到十分愤概，他曾多次要求著作的出版人发行改正版，但这些要求都未能实现。

    1543年5月24日，弥留之际的哥白尼终于见到刚刚出版的《天体运行论》，可惜当时的他已经因为脑溢血而双目失明，他只摸了摸书的封面，便与世长辞了。

    由于哥白尼的学说触犯了基督教的教义，遭到了教会的反对，就连当时反对天主教的新教也根据《圣经》的记载，群起反对“日心说”。他的著作更是被列为禁书。但真理是封锁不住的，继哥白尼之后，

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