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尼古拉·哥白尼这位16世纪的波兰牧师和数学家，往往被认为是近代天文学的奠基人。之所以能够获得如此殊荣，是因为他是第一个得出这样结论的人，即行星与太阳并非绕地球旋转。当然，关于日心宇宙的猜想早在阿里斯塔克（Aristarchus）（死于公元前230年）那里就出现了，但在哥白尼以前，这个想法从未被认真考虑过。要想理解哥白尼的贡献，考察科学发现在他那个时代所具有的宗教和文化含义是重要的。
早在公元前4世纪，希腊思想家、哲学家亚里士多德（前384—前322）在其《论天》（De Caelo）一书中就构想了一个行星体系。他还断定，由于在月食发生时地球落在月亮上的阴影总是呈圆形，所以地球是球状的而不是扁平的。他之所以猜想地球是圆的，还因为远航船只的船体总是先于船帆在地平线上消失。
在亚里士多德的地心体系中，地球是静止不动的，而水星、金星、火星、木星、土星以及太阳和月亮则绕地球做圆周运动。亚里士多德还认为，恒星固定于天球之上，根据他的宇宙尺度，这些恒星距离土星天球并不是太远。他确信天体在做完美的圆周运动，并有很好的理由认为地球处于静止。一块从塔顶释放的石头会垂直下落，它并没有像我们所期待的那样落在西边，如果地球是自西向东旋转的话。（亚里士多德并不认为石头会参与地球的旋转。）在尝试把物理学与形而上学结合起来的过程中，亚里士多德提出了他的“原动者”理论，这种理论认为，有一种隐藏在恒星后面的神秘力量引起了他所观察到的圆周运动。这种宇宙模型为神学家们所接受和拥护，他们往往把原动者解释为天使。亚里士多德的这一看法持续了数个世纪之久。许多现代学者都认为，宗教权威对这种理论的普遍接受阻碍了科学的发展，因为挑战亚里士多德的理论，就等于挑战教会本身的权威。
在亚里士多德去世五个世纪之后，一个名叫克劳迪乌斯·托勒密（Claudius Ptolemaeus）（87—150）的埃及人建立了一个宇宙模型，用它可以更准确地预测天球的运动和行程。像亚里士多德一样，托勒密也认为地球是静止不动的，他推论说，物体之所以会落向地心，是因为地球必定静止在宇宙的中心。托勒密最终精心设计了一个天体沿着自身的本轮（本轮是这样一个圆，行星沿着本轮运动，而同时本轮的中心又沿着一个更大的圆做圆周运动）做圆周运动的体系。为了达到目的，他把地球从宇宙的中心稍微移开了一些，并把新的中心称为“偏心均速点”（equant）——一个帮助解释行星运动的假想的点。只要适当选择圆的大小，托勒密就能够更好地预测天体的运行。基督教与托勒密的地心体系基本上没有什么冲突，地心体系在恒星后面为天堂和地狱留下了空间，所以教会把托勒密的宇宙模型当作真理接受了下来。
亚里士多德和托勒密的宇宙图景统治达一千多年，其间基本没有经历什么大的改动。直到1514年，波兰牧师尼古拉·哥白尼才复活了日心宇宙模型。哥白尼只是把它当作一个计算行星位置的模型提了出来，因为他担心如果主张它是对实在的描述，那么教会就可能把他定为异端。通过对行星运动的研究，哥白尼确信地球只是另外一颗行星罢了，位于宇宙中心的是太阳。这一假说以日心模型而著称。哥白尼的突破是世界史上最重大的范式转换之一，它为近代天文学开辟了道路，并且对科学、哲学和宗教都有着深远的影响。这位上了年纪的牧师不愿泄漏自己的理论，以免招致教会权威的过激反应，所以他只是把自己的著作给少数几位天文学家看了。到了1543年，当哥白尼临死时，他的巨著《天球运行论》（De Revolutionibus）出版了。他活着的时候没有见证他的日心理论可能造成的混乱。
1473年2月19日，哥白尼出生在托伦（Torun）城的一个非常重视教育的商人和市政官员家庭。他的舅舅，埃姆兰德（Ermland）的主教鲁卡斯·瓦琴洛德（Lukasz Watzenrode），确保他的这个外甥可以得到波兰最好的学术教育。1491年，哥白尼进入克拉科夫大学就读，在那里学习了四年的通识课程之后，他决定去意大利学习法律和医学，这也是当时波兰杰出人物的普遍做法。当哥白尼在博洛尼亚（Bologna）大学（在那里，他最终成了一位天文学教授）就读时，曾寄宿在一位著名的数学家多米尼科·马利亚·德·诺瓦拉（Domenico Maria de Novara）家中，哥白尼后来成了他的学生。诺瓦拉是托勒密的批评者，他对其公元2世纪的天文学理论持怀疑态度。1500年11月，哥白尼在罗马对一次月食进行了观测。尽管在以后的几年里，他仍在意大利学习医学，但他从未丧失过对天文学的热情。
在获得了教会法博士学位之后，哥白尼在他舅舅生活过的海尔斯堡（Heilsberg）主教教区行医。王室成员和高级牧师都要求他看病，但哥白尼却把绝大部分时间花在了穷人身上。1503年，他回到波兰，搬进了他舅舅在利兹巴克瓦明斯基（Lidzbark Warminski）的主教官邸。在那里，他负责处理主教教区的一些行政事务，同时也担任他舅舅的顾问。当舅舅于1512年去世以后，哥白尼就搬到了弗劳恩堡（Frauenburg），并在后半生一直担任牧师职务。然而，这位数学、医学和神学方面的学者最广为人知的工作才刚刚开始。
1513年3月，哥白尼从圣堂参事会买回来800块建筑石料和一桶石灰，建了一座观测塔楼。在那里，他利用四分仪、视差仪和星盘等仪器对太阳、月亮和恒星进行观测。在接下来的一年，他写了一本简短的《要释》（Commentary on the Theories of the Motions of Heavenly Objects from Their Arrangements或De hypothesibus motuum coelestium a se constitutes commentariolus），但是他拒绝发表手稿，而只是谨慎地把它在最可靠的朋友中流传。《要释》是阐述地球运动而太阳静止这一天文学理论的初次尝试。哥白尼开始对统治西方思想数个世纪的亚里士多德-托勒密天文学体系感到不满。在他看来，地球的中心并不是宇宙的中心，而只是月球轨道的中心。哥白尼最终认为，我们所观测到的行星运动的明显扰动，是地球绕轴自转和沿轨道运转共同作用的结果。“像其他任何行星一样，我们也绕太阳旋转。”他在《要释》中得出了这样的结论。
尽管关于日心宇宙的猜想可以追溯到公元前3世纪的阿里斯塔克，但是神学家和学者们都觉得，地心理论更让人感到踏实，这一前提几乎是不争的事实。哥白尼小心翼翼地避免公开暴露自己的任何观点，而宁愿通过数学演算和细心绘制图形来默默发展自己的思想，以免把理论流传到朋友圈子以外。1514年，当教皇利奥十世责成弗桑布隆（Fossombrone）的保罗主教让哥白尼对改革教历发表看法时，这位波兰天文学家回答说，我们关于日月运动与周年长度之间关系的知识匮乏到经受不起任何改革。然而，这个挑战必定使哥白尼耿耿于怀，因为他后来把一些相关的观测写信告诉了教皇保罗三世（指派米开朗琪罗为西斯廷小教堂作画的正是这位教皇），这些观测在七十年后成了制定格里高利历的基础。
哥白尼仍然担心会受到民众和教会的谴责，他花了数年私下里修订和增补了《要释》，其结果就是1530年完成的《天球运行论》（On the Revolutions of Heavenly Spheres或De Revolutionibus Orbium Coelestium），但却晚了十三年才出版。然而，担心教会的谴责并非哥白尼迟迟不愿出版的唯一原因。哥白尼是一个完美主义者，他总觉得自己的发现尚待考证和修订。他不断讲授自己的行星理论，甚至还给认可其著作的教皇克莱门七世作讲演。1536年，克莱门正式要求哥白尼发表自己的理论。哥白尼的一个25岁的德国学生也敦促他的老师发表《天球运行论》，这个人名叫格奥格·约阿希姆·雷蒂库斯（Georg Joachim Rheticus），他放弃了维滕堡（Wittenberg）的数学教席来跟哥白尼学习。1540年，雷蒂库斯协助编辑这部著作，并把原稿交给了纽伦堡的路德教印刷商，从而最终促成了哥白尼革命。
当《天球运行论》于1543年面世时，那些把日心宇宙当作前提的新教神学家攻击它有悖于《圣经》。他们认为，哥白尼的理论有可能诱使人们相信，他们只是自然秩序的一部分，而不是自然绕之加以排列的中心。正是由于神职人员的这种反对，或许再加上对非地心宇宙图景的普遍怀疑，从1543年到1600年间，拥护哥白尼理论的只有屈指可数的几位科学家。毕竟，哥白尼并未解决地球绕轴自转（以及绕太阳旋转）的任何体系都要面临的主要问题，即地上的物体是如何跟随旋转的地球一起运动的。一位意大利科学家、公开的哥白尼主义者乔尔达诺·布鲁诺（Giordano Bruno）回答了这个问题，他主张空间可能没有边界，太阳系也许只是宇宙中许多类似体系中的一个。布鲁诺还为天文学拓展了一些《天球运行论》没有触及的纯思辨的领域。在他的著作和讲演中，这位意大利科学家宣称，宇宙中存在着无数个有智能生命的世界，甚至有些生命比人还要高级。这种肆无忌惮的言论引起了教廷的警觉，由于这种异端思想，教廷对他进行了谴责和审判。1600年，布鲁诺被烧死在火刑柱上。
然而总体上说，这部著作并没有立即对近代天文学研究产生影响。在《天球运行论》中，哥白尼所提出的实际上不是日心体系，而是日静体系。他认为太阳并非精确位于宇宙的中心，而是在它的附近，只有这样，才能对观测到的逆行和亮度变化做出解释。他断言，地球每天绕轴自转一周，每年绕太阳运转一周。这本书共分为六个部分，在第一部分中，他与托勒密体系进行了论辩。在托勒密体系中，所有天体都围绕地球旋转，而且这种体系还得出了正确的日心次序：水星、金星、火星、木星和土星（当时所知道的六颗行星）。在第二部分中，哥白尼运用数学（即本轮和偏心均速点）解释了恒星与行星的运动，并且推论出太阳运动和地球运动的结果是一致的。第三部分给出了对二分点岁差的数学说明，哥白尼把它归之于地球绕轴的摇摆。《天球运行论》的其余部分则把焦点集中在了行星与月球的运行上面。
哥白尼是第一个把金星与水星正确定位的人，他极为准确地定出了已知行星的次序和距离。他发现这两颗行星（金星与水星）距离太阳较近，而且注意到它们在地球轨道内以较快的速度运行。
在哥白尼以前，太阳曾被认为是另一颗行星。把太阳置于行星体系的实际中心是哥白尼革命的开始。由于把地球从原本是所有天体赖以稳定的宇宙中心移开了，哥白尼被迫要提出重力理论。哥白尼之前的重力解释只假定了一个重力中心（地球），而哥白尼却推测，每一个天体都可能有自己的重力特性，并且断言说，任何地方的重物都趋向它们自己的中心。这种洞察力终将造就万有引力理论，但其影响并不是即刻产生的。
到了1543年，哥白尼的身体右侧已经瘫痪，他的身心状况也已大不如前。这位完美主义者不得不在印刷的最后阶段让出了他的《天球运行论》原稿。哥白尼委任他的学生雷蒂库斯处理他的手稿，但是当雷蒂库斯被迫离开纽伦堡时，这份手稿却落入了路德教神学家安德列亚斯·奥西安德尔（Andreas Osiander）之手。为了安抚地心理论的拥护者，奥西安德尔在哥白尼不知情的情况下，擅自做了几处改动。他在扉页上加入了“假说”一词，并且删去了几处重要的段落，还掺进了他自己的一些话，这些做法减弱了这部著作的影响力和可靠性。据说，哥白尼直到临终之时才在弗劳恩堡得到了这本书的一个复本，这时他还不知道奥西安德尔所做的手脚。哥白尼的思想在以后的一百年里一直相对模糊不定，直到17世纪，才有像伽利略·伽利莱、约翰内斯·开普勒和伊萨克·牛顿这样的人把自己的工作建立在日心宇宙之上，从而有力地消除了亚里士多德思想的影响。许多人都对这位改变了人们宇宙观的波兰牧师做出过评论，在这当中，也许最富表现力的要数德国作家兼科学家约翰·沃尔夫冈·冯·歌德对哥白尼贡献的评价了：
“哥白尼的学说撼动人类精神之深，自古以来没有任何一种发现，没有任何一种创见可与之相比。当地球被迫要放弃宇宙中心这一尊号时，还几乎没有人知道它本身就是一个自足的球体。或许，人类还从未面临过这样大的挑战，因为如果承认这个理论，无数事物就将灰飞烟灭了！谁还会相信那个清纯、虔敬而又浪漫的伊甸乐园呢？感官的证据、充满诗意的宗教信仰还有那么大的说服力吗？难怪他的同时代人不愿听凭这一切白白失去，而要对这一学说百般阻挠，而这在它的皈依者们看来，却又无异于要求了观念的自由，认可了思想的伟力，这真是闻所未闻，甚至连做梦都想不到的。”
——约翰·沃尔夫冈·冯·歌德