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揭开近代自然科学革命的是哥白尼提出的日心说。哥白尼日心说宇宙体系的形成是大胆假设、小心求证的过程，哥白尼经历了走进天文学殿堂的大学时代，奠定日心说思想基础的留学意大利时代，推出《试论天体运行的假设》，经过36年的小心求证，最终在临死前一年出版《天体运行论》，吹响了迈进近代科学革命第一声号角。
哥白尼在十岁时因父亲去世由其舅父收养。他的舅父是埃尔门兰德地区的主教，将哥白尼兄弟二人送到当时最先进的学校之一——海乌姆诺学校。哥白尼在这里获得了良好的基础教育，并为以后进大学做好了准备。哥白尼学习十分勤奋，学习成绩总是名列前茅，深受老师和同学的喜爱。
哥白尼十八岁时进入著名的克拉科夫大学读书，这所学校是全欧洲的学术中心，尤以数学和天文学闻名。哥白尼对科学和天文学有强烈的兴趣，课余时间常到图书馆阅读前人如亚里士多德、毕达哥拉斯、托勒密的拉丁文经典科学著作。
哥白尼在这里开始受到文艺复兴运动的思想影响，并且遇到了他的启蒙老师沃伊切赫教授——当时欧洲著名的天文学家、数学家，在克拉科夫大学星占学系任教。在沃伊切赫教授的悉心指导下，哥白尼学会了天文测量，学习了天文学理论，开始走进天文学的殿堂。
哥白尼同沃伊切赫教授一起使用“三弧仪”和捕星器，观测了两次月食和一次罕见的日全食。哥白尼自己制作了一件简便的观测工具，用一个木盆盛满清水，然后滴进几滴墨水，使木盆里的清水变成黑色。日全食开始了，透过水面，哥白尼看到太阳光逐渐被月影遮住，整个太阳的视圆面缓慢地变化着。经过两分多钟的时间，太阳渐渐地恢复了原状，天空渐亮。最后，太阳复圆。这次日全食的观测给哥白尼留下了永生难忘的印象，对哥白尼的心灵造成了一次极大的震动，进一步激发了他从事天文观测和研究的热情和决心。
随着视野的逐渐开阔，哥白尼对托勒密的《天文集》一书中的观点产生了怀疑。《天文集》着重阐述了地球是宇宙的中心，静止不动，而太阳、月亮、星星都是绕着地球运转的。哥白尼想：宇宙的中心真是地球吗？地球静止不动的看法也缺乏证据。
哥白尼在阅读阿基米德的《沙数计算》时，看到了希腊哲学家阿利斯塔克关于地球绕太阳运动的说法，觉得很新奇。他当即把这一说法摘录下来：“地球沿着以太阳为中心的圆周绕太阳运动，而恒星所在的天球的中心与太阳中心相符合。”这一学说也缺乏确定的证据。
哥白尼在恩师沃伊切赫教授的指导下，开始走进天文学的殿堂，开始对地心说存有怀疑并初步了解了日心说的主要观点，但是这两种学说都缺乏确定的证据。这在哥白尼所著的《天体运行论》序言中有记载。
在西塞罗的著作中查到，赫塞塔斯设想地球在运动。后来我在普卢塔尔赫的作品中也有发现，还有别的人持有这一见解……当我感觉有这种可能性的时候，我自己开始思考大地的运动了……经过长久多次的观察之后，我发现，如果把除了地球的自转之外的其他行星的运动也考虑在内，并计算出其他行星的公转和地球的公转，我们不但可以由此推出其他行星的现象，而且还可以把所有的行星、天球以及天体本身的次序和大小都联系起来，以致在任何一个部分里，改变一件东西，就必然要在其他部分及整个宇宙中造成混乱。因为这个缘故……我愿意采纳这个体系。
1497—1503年，哥白尼先后两次到意大利留学，先后在博洛尼亚、帕多瓦、费拉拉等大学学习法律、数学、天文学和希腊文，获得教会法学博士，但是他最为感兴趣的还是天文学。
第一次留学意大利：合理质疑地心说。1497年哥白尼进入博洛尼亚大学学习，天文学教授诺瓦拉对哥白尼产生了深刻的影响。诺瓦拉教授不但是意大利文艺复兴运动的领导人之一，而且是闻名欧洲的天文学家、数学家，精通古希腊人的学术思想，他认为古希腊天文学的任务是对行星运动给出合理的解释，特别是按照毕达哥拉斯—柏拉图主义，用完美的、正圆的复合运动来解释行星的视运动，即拯救现象。此外，诺瓦拉还批评托勒密地心宇宙体系太琐碎繁复，不符合数学的简单和谐原则。
诺瓦拉教授重视实践，曾亲自测量过南欧一些城市的纬度，发现这些纬度的数值同托勒密所得出的结果差别很大，于是对托勒密的“地心体系”产生了怀疑。
哥白尼跟随诺瓦拉教授学习天文学课，并学习天文观察观测天体，以实际的观测数据来检验托勒密理论的正确性，最著名的是观测金牛座的橙色亮星——毕宿五。1497年3月9日晚，哥白尼师生观测毕宿五怎样被逐渐移近的月亮所隐没，当毕宿五和月亮相接而还有一些缝隙的时候，毕宿五很快就隐没起来了。托勒密对月球运行的解释是：月亮的体积时而膨胀时而收缩，满月是膨胀的结果，新月是收缩的结果。他们精确地测定了毕宿五隐没的时间，计算出确凿不移的数据，证明那一些缝隙都是月球亏食的部分，毕宿五是被月球本身的阴影所隐没的，月球的体积并没有缩小。诺瓦拉、哥白尼师生合作观测毕宿五，证实托勒密的地心说无法解释月球的运动，找到了怀疑地心说的一个观测证据。
在诺瓦拉教授的影响下，哥白尼坚信数学的简单和谐原则，在确凿观测事实的基础上大胆质疑托勒密的地心说；为了把亚里士多德匀速圆周运动的原则严格且不变形地贯彻到底，必须对托勒密的学说进行修正。
第二次留学：遍读古希腊哲学原著。1503年哥白尼第二次留学意大利，他选择了当时欧洲最有名的帕多瓦大学就读，著名的天文学教授弗拉卡斯托罗在这所大学任教，他是一位精通哲学、医学和天文学的学者，具有广博的知识。哥白尼对弗拉卡斯托罗教授非常钦佩，他去拜访了这位教授，并详细汇报了自己学习天文学的情况和研究目标——建立太阳中心学说。教授被哥白尼多年来潜心研究天文学、敢于向传统的宗教神学挑战的精神深深感动。教授建议哥白尼认真阅读古希腊人的哲学著作，从中得到启迪；同时加强天象观测，以发现宇宙中的秘密。在此段求学期间，哥白尼为太阳中心学说寻求参考资料，潜心攻读能够弄到手的大量古希腊哲学原著。
1506年哥白尼回到波兰，开始构思他的新的宇宙体系。1512年，哥白尼到波罗的海沿岸的弗罗恩堡任牧师职务，直至逝世。在任牧师职务这30年间的业余时间里，哥白尼一面继续探索他的新的宇宙体系，一面进行天文观测，太阳中心学说的理论轮廓初步形成。1514年前后，哥白尼将多年来的想法进行整理，写成论文《试论天体运行的假设》，文中简要地介绍了1502年至1514年期间他的一些思想。哥白尼没有把这篇论文发表，而是以书信的形式寄送给自己的朋友和熟悉的天文学家，寄送范围几乎覆盖了整个欧洲。
哥白尼在这篇论文中用要点方式概括地阐述了他的“太阳中心学说”新理论的基本思想：
①宇宙中不存在一个所有天体及其轨道的共同中心点。
②地球的中心不是宇宙的中心，只是重心和月球轨道的中心。
③所有天体都围绕作为自己中心点的太阳运行，因此，太阳位于宇宙中心附近。
④地球到太阳的距离与众恒星所在的天穹高度之比，就如同地球半径与地球到太阳的距离之比一样渺小。因此，地球到太阳的距离与天穹高度之比是微不足道的。
⑤人们看到天空中的所有运动，都不是由天体本身产生的，而是由地球绕其自转轴每天旋转一周造成的。
⑥使人们感觉到太阳在运动的一切现象，都不是由太阳的运动产生的，而是由地球及其大气层的运动造成的。
⑦人们看到的行星向前运动或向后运动，都不是由行星自身的运动而产生的现象，而是由地球自身运动使人们产生的错觉。
哥白尼引用古罗马大诗人西塞罗的话：“没有什么东西赶得上宇宙的完整，赶得上德行的纯洁。”他用这句话表明了一个信念：宇宙是完整的、对称的、和谐的，是具有可以理解的规律和秩序的。
《试论天体运行的假设》是哥白尼学说的第一块基石，但要在这块基石上建立起宏伟的理论大厦，还需要做许多准备工作。
写成《试论天体运行的假设》以后，哥白尼为了获得更多的观测资料来进一步论证太阳中心学说，进行了长达数十年的观测和计算。
在观测中，许多新发现为哥白尼探索宇宙结构新体系——日心说提供了大量有价值的材料。哥白尼观测的内容非常广泛。他对日食、月食、火星冲日、金星冲日、木星冲日、黄赤交角、春分点移动等五十多种天象都进行了观测，并做了翔实的记录。他记录了1509年和1511年的月食，1512年和1518年的火星位置，1520年的木星和土星位置，1525年金星和月亮的相食……哥白尼还将观察结果与他的理论推算相比较，他发现在每一个例证中，实际观察结果都和他的理论推算吻合。天象观测不断地丰富了哥白尼的理论，大量观测结果也雄辩地证实了他的日心说的正确性。
1525年秋天，哥白尼写作《天体运行论》的工作才在弗罗恩堡全力展开。他完成这部书曾历经一个漫长的过程。一方面，他需要稳步小心求证，努力把新宇宙体系建立在充分的观测基础上；另一方面，他完全懂得，他的新学说把流行一千多年的“神圣”的托勒密宇宙体系彻底推翻，这将撼动神权统治的理论基础，势必为教会所不容。
1539年，德国维滕堡大学青年数学讲师雷提卡斯在听说了哥白尼的新理论后专程到弗罗恩堡拜访他。两人一见如故，雷提卡斯成为哥白尼唯一的学生，哥白尼向其讲授了已经完成的著作《天体运行论》。雷提卡斯认识到哥白尼著作的重要性，建议立即出版。但直到1542年，哥白尼在生命垂危之际，才同意将其主要著作《天体运行论》交付印刷。
1543年哥白尼《天体运行论》出版，全书共分六卷，第一卷介绍宇宙的结构；第二卷介绍有关的数学原理；第三卷用数学描述地球的运动；第四卷介绍地球的绕轴运动和周年运动；第五卷介绍地球的卫星——月球；第六卷介绍行星运行的理论。
主要观点如下：太阳取代地球作为宇宙的中心，所有行星和地球都围绕太阳转动。
（1）简单、统一地解释了行星的视运动
哥白尼提出地球的三种运动，第一种运动是“地球自西向东绕轴昼夜自转”；第二种运动是“地心同地球上的一切周年旋转，在金星与火星轨道间的黄道上自西向东运行”；第三种是“倾斜面的运动”，即赤道面或自转轴相对于日地连线的运动，它是同第二种运动合成的结果，即使自转轴相对于恒星天球方向不变，这个合成运动就是我们今天的地球公转。
全部星空的周日旋转是由地球的自转所引起的，地球自西向东的自转，进而引起昼夜的交替变化、星辰的东升西落。太阳的周年视运动是由地球绕太阳每年公转一周而形成的。行星的不规则运动是地球绕日运动和行星绕日运动的复合。哥白尼依据地球的三种运动和各个天体固有的自身运动，用较为简洁的方式定性地解释了地面上观测到的天体运动现象。
（2）和谐统一的天球秩序
天球距离宇宙中心太阳由远及近的顺序如图1-3。最远的是恒星天球，包罗一切，本身是不动的，它是其他天体的位置和运动所必需的参考背景。在行星中土星的位置最远，三十年转一周；第二是木星，十二年转一周；第三是火星，两年转一周；第四是一年转一周的地球及其唯一的卫星月亮，月亮伴随地球绕太阳运行的同时，每月又绕地球旋转一周；第五是金星，九个月转一周；第六为水星，八十天转一周。
图1-3 哥白尼日心说宇宙体系
哥白尼的日心说宇宙体系为确定行星轨道的相对大小提供了一个直接的方法，并得到各行星到太阳的相对距离如表1-1：
表 1-1 行星到太阳相对距离
这个体系把每个行星轨道的大小、运动的速率和排列顺序关联起来，形成一个紧密的整体；特别是把中心位置给了太阳这个最大、最亮的光、热和生命的赠送者，让它从这个位置去照亮一切。这种顺序性显示：宇宙具有令人赞叹的对称性，行星的运动周期与轨道的大小有一定的和谐关系。
哥白尼的日心说宇宙体系提供了一种和谐、简单和更富有直觉意味的思维准则，启发后人对权威的论断、宗教的经典、公众的常识和经验进行重新审视。