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在大学里，哥白尼学习了关于天体运行的三大要旨，这为他日后的天文学之旅打下了坚实的基础。
要旨一，太阳每年绕着天空自西向东移动，其轨迹呈倾斜状，因此，在夏季太阳在天空中的位置比在其他季节更高。加之在夏季太阳运行速度相比冬季变缓，故而夏季稍长于冬季（然而，这仅仅适用于北半球。毕竟，在哥白尼时代，南半球的情况似乎并未引起人们的关注）。
要旨二，行星亦自西向东移动，大致与太阳的运行路径相同，但偶尔（大约每年一次）会减速，停歇片刻，甚至向西运行一段时间，此即逆行。与太阳一样，这些行星在天空的某个区域会移动得更快，但具体区域因星而异。
要旨三，恒星本身也向东移动，但非常缓慢。因此，在古人的观察中，夏至之际，太阳刚好位于巨蟹座，故有“巨蟹宫回归线”（北回归线）之说。然而，到哥白尼时代，夏至时，太阳所处位置已不再是巨蟹座，而是双子座。
当然，除三大要旨之外，还有无数知识宝藏等待哥白尼一探究竟。早在亚里士多德时代（公元前4世纪），就有地球是球形的证据：月食时，地球投射到月球表面的弧状阴影表明地球是球形的。此外，旅人们发现，越往北去，空中的星星看起来就越高。上述只是人们观察到的现象，亚里士多德为其增添了一个更具说服力的理论论据。他认为，地球上有土、水、气、火四元素。除非有外力干预，这些元素要么向上运动，要么向下运动，且其运动轨迹总是直线。鉴于地球居于宇宙中心，土或水必将呈直线向中心落下，逐渐积聚成一个巨大的球体。
在未受过教育之人的心目中，地球是平的，球形地球观无疑与常识相左。因此，大学创立之初，天文学便跻身七艺之列，亚里士多德关于地球是球形的论点也自然而然地成了课程必不可少的一部分。此外，还增加了一个反驳地球平面说的全新论据：相比站在甲板上的人，船桅杆顶瞭望台上的水手更早看到远处的陆地。
根据亚里士多德的球形地球观，土、水、气、火四元素位于诸多行星和恒星的球体之下，而这些球体则由第五元素——天上的以太构成。与陆地元素向上或向下的自然运动不同，以太的自然运动一直保持圆形。同时代杰出的数学家欧多克索斯则构思出了由大小球体嵌套来承载行星（包括太阳和月球）的天体模型。尽管欧多克索斯是一位杰出的几何学家（事实上，欧几里得几何学的大部分基石皆源自欧多克索斯），然而，其概念却存在一些根本的缺陷。那就是，嵌套于模型中的球体与地球之间的距离是恒定的，问题是月亮在天空不同位置的大小并不一样。众所周知，10月，地平线附近的满月看起来格外大，但这只不过是人的观察视角导致的生理或心理现象，而非月亮本身大小变化产生的真实差异，这就是著名的“月亮错觉”。当月亮离地球最近时，它的确比离地球最远时看起来大10%左右。同样，当火星位于太阳正对面时（天文学称之为火星冲日），它看起来要比与太阳成直角时更加明亮。
欧多克索斯提出的同心球理论，就理论体系而言，固然令人钦佩，但按照该理论，所有球体均要以地球为中心，这就无从解释为何火星有时看起来分外明亮，有时看起来却暗淡无光，或者为何月亮时而大若圆盘，时而又小如弯钩。不仅如此，以地球为中心构建的一组球体，也无法准确勾勒出火星的运行轨迹。
与此同时，在东方，在底格里斯河和幼发拉底河流域的美索不达米亚地区，许许多多的巴比伦抄写员长年累月追踪并记录着行星的大致位置和气象数据。尽管数据精度欠佳，但抄写员们从未想过做些什么以对行星进行更加精确的定位。试问：若要测量今晚的木星，该如何确定其方位呢？彼时，由于巴比伦人尚未在苍穹中创立想象中的坐标系，他们只能依据若干位置相对固定的“常见之星”（恒星）推测行星的位置。虽然巴比伦抄写员记载的行星位置不甚精确，但随着岁月的积淀，这些留在泥版上的“天文日志”日益丰富。从这些延续了几个世纪的楔形文字泥版碎片的序列中，可以推算出令人惊讶的精确的行星运行周期。他们发现，每隔几年，行星就会回归，且相当精确地再现于某个特定位置。例如，他们发现，火星大约每2.1年绕行天空一周，其运行模式每47年会重复一次。凭借这些数字，巴比伦人便能相当成功地预测行星的位置。
然而，对美索不达米亚的这些天文学信息，哥白尼一无所知。随着帝国的倾覆，巴比伦人的天文记录湮没在断壁残垣中。直至19世纪，中东地区开始了大规模考古工作，它们才得以重见天日。1849年，英国考古学家奥斯汀·亨利·莱亚德在原亚述帝国的首都尼尼微进行挖掘时，发现了公元前7世纪国王辛那赫里布的图书馆。几年后，其助手在土墩的另一侧发现了辛那赫里布之孙、亚述末代国王亚述巴尼拔的图书馆。随后，逾3万块泥版或黏土碎片被运往大英博物馆。 [1] 在接下来的几年里，美索不达米亚出土了更多黏土碎片，同样被送往伦敦。从1876年11月至1882年7月，大英博物馆接收了14000多块巴比伦的黏土碎片，遗憾的是，这些碎片的具体发现位置已无从考证。这些后来的发现中，就有数百块带有天文数据的黏土碎片，其中多数能依循天文之法，推算出其所属时代（通常是在公元前4世纪）。除了发现行星运行若干年后便会回到某一特定位置，巴比伦人还注意到，在天空特定区域内移动时，行星速度会加快，不仅如此，他们还能预测行星逆行何时开始，又在何时结束。
到了公元前2世纪，巴比伦人的天文记录开始流传至希腊天文学家手中。其中，来自罗得岛的天文学家喜帕恰斯（依巴谷）便获得了极为宝贵的日食与行星周期记录。自此，希腊人便尝试系统地绘制苍穹图谱，以精准确定行星位置。可以说，巴比伦算术数据与希腊几何建模理念之结合，促成了天文学的飞跃式发展，开启了天文学研究的新篇章。公元150年左右，生活在亚历山大城（埃及）的希腊裔罗马科学巨擘托勒密，更是将天文学水平推至前所未有的高度。
不同于其他任何天文学著述，托勒密的著作《天文学大成》将复杂的星辰变幻、宇宙奥秘寓于简明的几何图形之中，使天文事件的预测成为可能。 [2] 这无疑是科学发展中的重要里程碑。托勒密的独特之处在于，他不像巴比伦的前辈那样单纯依赖算术，而是创立了一套几何模型来描述宇宙。他的这部划时代之作通常以其阿拉伯语名字 Almagest （《至大论》）而广为人知。我们认为，托勒密的巨大成就当数他首次向人们展示了如何将具体的观测数据转换为他的行星模型的行星参数。通过他的模型，他可以构建前所未有的表格，从而计算出行星在未来或过去任何特定时刻的方位。
哥白尼日后挑战的就是托勒密的模型。他凭借一个更为简单的模型复制了托勒密的伟大成就，且这个模型提供了远超托勒密想象的奇妙统一。
《天文学大成》的一些手稿之中，有这样一句格言：“我深知自己不过是一介凡尘，生命短暂，终将逝去；但当我在天体复杂的往返轨迹中遨游时，我仿佛已超脱凡尘；立身于宙斯面前，品尝仙馐——神之美味。”
然而，身处宗教文化深厚的时代，哥白尼也对宇宙发出这样的感叹：“宇宙，如此广袤，无疑是全能造物主的神圣杰作。” [3]
[1] O. Neugebauer, The Exact Sciences in Antiquity (Providence: Brown University Press, 1957), chap.V,“Babylonian Astronomy,”97-144;O. Neugebauer, A History of Ancient Mathematical Astronomy (New York: Springer, 1975), 347-53.
[2] G. J. Toomer, translator and annotator, Ptolemy’s Almagest (Princeton:Princeton University Press, 1998).
[3] Copernicus, De revolutionibus orbium caelestium (Nuremberg: Johann Petreius, 1543), f.10.