开普勒第一次向腾纳格尔索取第谷的观测资料时，受到他的百般刁难，编制星表工作进行不下去了，他就把精力转移到了研究火星上面。
他的目的是要测定某一行星绕太阳运行的轨道。要知道，这在当时是一桩十分艰难的事。因为人不是站在太阳上，而是站在以一种当时还是未知的方式绕着太阳运动的地球上。
对行星，我们只能看到它某时刻是在什么方向上，而无法看到它在该时刻相对于太阳所处的实际位置。
开普勒经过反复思考，认为要从这种杂乱无章的情况中整理出头绪，首先要确定地球的运动状况。
但是，要想确定地球本身的运动，只有太阳、地球和行星是不够的，因为在这种情况下，人们只能知道地球对太阳的角速度的变化规律，而依然不知道地球离太阳远近的变化和地球轨道的真实形状及其运行方式。
开普勒是以他丰富的想象力和杰出的数学才能探求到了一条奇迹般的路。
作为第一步，他首先要在空中找一个参考点。那时，火星绕日的周期1.88年为已知，他选择火星为参考点。这样，对太阳和火星的观测，就成为测定地球轨道的手段，开普勒就是这样巧妙地采用三角定点法把地球的轨道形状测了出来。
第二步，他又对火星的轨道进行精确测量和探索。因为第谷遗留下来的数据资料中，以火星的资料最丰富，所以才选择火星为主攻目标。
说来也巧，正是这火星轨道跟哥白尼理论所计算的出入最大。当时称火星为“马斯”。开普勒开始按正圆编制火星的运行表，可发现马斯老是出轨。后来他就此生动地描述这段时期的工作。
“我要征服和战胜马斯，把它掳进我的表格；我已经为它备好了枷锁。但是，我终于感到胜利是毫无指望了。战争仍旧激烈地进行着！
天上那个诡计多端的敌人，出乎意料地扯断了我用方程式制成的锁链，从表格监牢里冲了出去。在一次又一次战争中，我那用物理因子编成的部队备受创伤，而它冲出了束缚，逃之夭夭。”
开普勒按匀速运动的正圆轨道计算遭到失败后，他将火星运行轨道修正为扁圆形轨道。大约进行了70次的实验之后，他高兴地找到了一个方案，与事实能较好地符合。他以为成功了，可是，按这个方法来测定火星的位置，仍跟第谷的数据不符。
8弧分之差相当于秒针0.02秒瞬间转过的角度，会不会是第谷弄错了呢？不会！开普勒深信第谷一丝不苟的工作态度，这8弧分的误差无论如何是不允许忽视的。
正是这8弧分的误差，使开普勒走上了革新天文学的道路。
开普勒经历了无数次的失败，才意识到火星的轨道不是正圆形，并断定它运动的速度跟它与太阳的距离有关。随后他又将轨道修正为卵形，进而确定为椭圆形。
1609年，开普勒出版了《新天文学》一书，介绍了他多年的研究成果，并总结了行星运动第一和第二定律。
第一定律是：行星绕太阳运转是沿椭圆形轨道进行的，太阳位于椭圆的两个焦点之一的位置上。这是极为重要的发现，打破了千百年来的传统观念，并对哥白尼的“日心说”做出了巨大发展。
哥白尼虽然将太阳和地球颠倒了位置，但始终未能冲破传统观念，认为行星运动只能是圆周运动或圆周运动的组合。开普勒解决了哥白尼没有解决的问题，使“日心说”更加接近真实。
第二定律是：向量半径（连接行星与太阳的直线）在相等的时间内扫过相等的面积。也就是说，行星绕太阳的运动是不等速的，离太阳越近速度越快，离太阳越远速度越慢。
开普勒第二定律进一步打破了唯心主义的宇宙和谐理论，指出了自然界的真正客观属性，他在书中还特别指出第一和第二定律也适用于其他行星和月球。
这两大定律的总结，为人们科学地认识宇宙提供了理论依据，也奠定了开普勒在天文学方面的崇高地位。
然而，在这部重要著作的出版问题上，开普勒再次遭到腾纳格尔的诽谤和攻击。腾纳格尔要求写一个前言，否则便封锁第谷的资料。
在前言中，他恣意攻击开普勒的理论是背离第谷系统的，是混乱和随心所欲的，要求读者不要被开普勒的冒失所迷惑。
开普勒的著作果真遭到许多人的误解，不仅一般学者不予理睬，就连他的老师麦斯特林都不支持他，不承认这两条定律的正确性。
《新天文学》陷入了孤独的境地。
但是，开普勒并没有悲观失望。他虽然没有预想到会如此孤立无援，但也从未期望会引起什么轰动效应，因为他站在了天文学的最高峰。人到高处自孤独，历来如此。
他坚信，真理的光芒不是什么人能阻挡得了的，总有一天它会大放异彩。因此，他无怨无悔，仍然一如既往地前行。
