在继续找寻火星的轨道时，他在一年半时间里经过70多次艰巨的思索、计算，按照“匀速圆周运动”的传统思路反复比较了托勒密、哥白尼、第谷的理论路径与第谷的实测数据，提出各种偏心圆形轨道的设想方案，但是最好的结果误差仍达8角分之多。而第谷的最大观测误差只有2角分。他把这次艰苦的计算愉快地比喻为“征服与战胜火星的战斗”，他说“这个诡计多端的敌人出乎意料地扯断了我用方程式制成的锁链”，使“我那些物理因素编成的部队倍受创伤”，它却“逃之夭夭。”这8角分之差便导致了天文学的革新。开普勒忠于实测数据，一丝不苟，以不屈不挠的精神，去找寻新的道路：只有放弃“圆形”“匀速”的传统观念，才能符合行星近日时快、远日时慢的观测事实。醒悟到这一点对开普勒是很不容易的，他用下面的话表达了他把数学定律引入物理学、天文学的艰辛过程：
“考虑和计算这件事差不多弄得我发疯。我实在不能明白为什么竟是椭圆？真是荒谬绝伦！难道解决直径的矛盾问题非得通过椭圆这条路不可吗？……通过推理得出的物理原则必须和经验相吻合，除了承认行星的轨道是完全椭圆之外别无它途。”
在上述工作的基础上，开普勒于1609年在《新天文学>一书中发表了他的第一、第二行星定律（椭圆轨道定律与等面积定律）。但他仍不满足于此而继续寻求各行星之间轨道参数的规律性，经过无数的试验──失败──再试验，在1619年出版的《宇宙的和谐》中他终于发现了第三定律（周期定律）。这样，简明的数学结论终于代替了过去的复杂体系模型，使哥白尼日心说取得了彻底的胜利。
开普勒通过数学规律和“鲁道夫星表”使宇宙体系获得了一个有序的图景。他还进一步寻求行星绕日体系的形成原因，提出磁力说。他在《哥白尼天文学概论》（1618～1621）一书中根据吉伯的地球是大磁体的观点，提出了自己的设想来解释行星绕日椭圆形轨道的物理原因：从
