1600'de Kepler, dönemin en titiz çıplak göz gözlemcisi Danimarkalı Tycho Brahe'nin Prag yakınlarındaki rasathanesinde asistan olarak çalışmaya başladı. Tycho'nun teleskopsuz ama olağanüstü ince ölçümleri — özellikle Mars için onlarca yıllık veri — birkaç ay yarım yay-dakikası ('arcminute') hassasiyetindeydi; Tycho'nun 1601'deki ani ölümünün ardından bu defterler Kepler'e kaldı. Kepler, eski daire ve epicycle birleşimlerinin Mars'ı niçin doğru anlatamadığını yıllar içinde çözmeye girişti.

Ayrıntılı hesapların altında bir varsayım yatıyordu: yörünge daireseldir. Kepler, Mars için ısrarla daire modeli denedi; Tycho'nun verisinden sapma yalnızca yaklaşık sekiz yay-dakikasıydı. Başka biri bunu gözlem hatasına yorabilirdi; Kepler, Tycho'nun verisinin bu hatayı kaldıramayacağını biliyordu ve daireyi terk etti. Önce yumurta biçimli eğriler, sonra bir elips denedi — uydu Güneş'i odak noktalarından birinde tutan ve gezegenin Güneş'e yakınken hızlanıp uzakken yavaşladığı bir geometri. 1609'da Astronomia Nova'da ilk iki yasayı yayımladı: yörüngeler eliptiktir; bir gezegenin Güneş'e çektiği yarıçap eşit zamanlarda eşit alanlar tarar.

Kepler bununla yetinmedi. On yıl boyunca farklı gezegenlerin yörünge süresi ile Güneş'e uzaklığı arasında bir nicel ilişki aradı. 1619'da Harmonices Mundi'de buldu: bir gezegenin yörünge süresinin karesi, yarı-büyük ekseninin küpüne orantılıdır. Üçüncü yasa, daha önce gizli olan tek bir matematiksel düzeni Güneş Sistemi'ne yayan ilk kurucu denklem oldu.

Kepler'in çalışmasının iki etkisi belirleyici oldu. Birincisi, Aristoteles'ten beri gök cisimlerinin 'mükemmel' dairesel hareketle döndüğü dogması yıkıldı; gök mekaniği artık geometriye değil, ölçülen veriden çıkarılan kanunlara dayanıyordu. İkincisi, Kepler'in yasaları yetmiş yıl sonra Newton'un Principia'sında evrensel kütleçekim yasasından matematiksel olarak türetilecekti — yani Kepler farkında olmadan modern fiziğin zeminini hazırladı. Aynı zamanda çalışması, ham gözlemsel verinin (Tycho) titiz teoriye (Kepler) dönüşmesinin klasik örneği olarak bilim metodolojisinde bir mihenk taşı hâline geldi.