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从15世纪开始，天文学受到了社会发展的巨大推动，特别是文艺复兴运动给神学以沉重的打击，亚里士多德、托勒密的地心说作为基督教的教义已开始受到怀疑。同时，航海业的发展，也对天文学和历法等提出了新的要求。
1503年，哥白尼从意大利留学回到波兰，任牧师职务。在工作期间，他也将许多精力倾注于天文学的研究和观测上。在哥白尼以前已有许多人对地心说提出了质疑，并且取得了天文观测中的许多科学依据，天文仪器也有了很大的改进。这无疑为哥白尼的科学研究提供了有利的条件。他利用教堂城垣的箭楼建立了一个小小的天文观测台，自制了一些观测仪器，如四分仪、三角仪、等高仪等，进行了大量的观测和计算，经过30年如一日坚持不懈的努力，哥白尼终于完成了他的天体运行体系，并写出了划时代的巨著——《天体运行论》。
哥白尼在交付手稿时并无书名，该书在1543年出版时，出版者将它命名为《关于天体旋转的六卷集》，后简称《天体运行论》。《天体运行论》共分六卷。第一卷简要介绍了日心学说的基本观点，是全书的总纲。论述了地球的运动、各星球轨道的位置、宇宙的总体结构，论证了为什么地球也是一个行星，并解释了四季循环的原因，回答了对地动说的种种责难。第二卷介绍数学原理，运用球面三角运算来说明天体的视运动。第三卷讨论地球绕太阳的运动。第四卷讨论月亮绕地球的运行。第五卷讨论五大行星的运动，并着重论述地球运行如何影响着诸行星在经向的视运动，以及如何使所有这些现象具有准确而必然的规则。第六卷继续论述行星运动，着重考虑造成诸行星在纬向偏离的那些运动，示明地球运动如何支配着这些现象，并确定它们在这一领域中所遵循的法则。该书的出版，揭示了地球只是一颗围绕太阳的普通行星，否定了“地球是上帝特意安排在宇宙中心”的宗教说教，动摇了教会鼓吹的上帝创世说的理论支柱。它对自然科学摆脱神学的羁绊以及对天文学的发展，都起了极大的推动作用。
《天体运行论》的出版引起了轩然大波，以哥白尼的日心论观点为一方，以托勒密的地心论观点为另一方展开了长期的斗争。这不只是学术上的论争，而且也是科学和神学、唯物主义和唯心主义、辩证法和形而上学两种宇宙观和两条认识路线的斗争。许多伟大的科学家为了捍卫真理而献出了生命，然而现代天文学的发展不仅证明了日心说的胜利，而且早已超越了哥白尼的学说。但这一切进步，都是从哥白尼开始的。哥白尼关于地球运动的思想，是重大的划时代的科学成果。由于日心学说对宇宙的看法与当时占统治地位的地心说完全相反，《天体运行论》的出版困难甚多。在这种情势下，哥白尼在序言中声称把这本书奉献给教皇保罗三世，希望获得他的庇护。此外，一位受哥白尼委托办理出版事宜的教士——奥西安德尔，杜撰了一篇匿名序言，声称书中的理论不一定代表行星在太空中的真实运动，只不过是为编算星历表和预测行星位置而提出的一种人为设计。由于采用这些掩护策略，这本书终于付印出版。《天体运行论》初稿曾于1512～1516年、1525年和1540年做了三次重大修改。1543年5月24日，已经双目失明的哥白尼抚摸着正式出版的《天体运行论》说：“我终于推动了地球。”
哥白尼的理论的提出给人类的宇宙观带来了巨大的变革，他将科学认识天体运动的参考系中心由地球移到太阳，从而迈出了近代宇宙学研究中最困难同时也是最重要的一步。数千年来人们看惯了日月星辰东升西落的现象，托勒密的解释也正好符合人们的常识。但是哥白尼对这个看似真理的常识的深刻思考所得出的结论告诉我们，常识也可能是错误的。科学不等于常识。对习以为常的东西投以好奇的一瞥，并进行科学的分析，就有可能发现科学的真理。