Em 1543, o polonês Nicolau Copérnico publicou De revolutionibus orbium coelestium (Sobre as revoluções do céu), obra na qual afirmava claramente que o Sol ocupa o centro do universo, a Lua gira ao redor da Terra e todos os planetas descrevem revoluções em torno do Sol. Demonstrou também que a Terra gira em torno de si mesma, em ciclos de um dia. O aparecimento, mais tarde, de tábuas baseadas na teoria de Copérnico determinou a aceitação de seus princípios por parte dos homens de ciência da igreja. A interpretação de Copérnico despertava a desconfiança desse setor, por privar o homem da posição central que acreditava ocupar no universo.

O passo subseqüente foi dado por Tycho Brahe. Dinamarquês apaixonado pela astronomia, dedicou vinte anos à observação metódica das estrelas e foi o primeiro a dar à astronomia um método sistemático. Embora tenha trabalho antes da invenção do telescópio, suas observações foram extremamente precisas. Chegou mesmo a perceber o efeito da refração da atmosfera ao determinar a posição dos corpos celestes. O surgimento de uma estrela nova, em 1572, levou-o a questionar a validade da teoria que sustentava a imutabilidade do céu, e uma série de cometas que pôde observar desmentiram, com seus surpreendentes movimentos, a teoria das esferas.

Brahe também detectou indícios de que a distância das estrelas à Terra era maior do que supunha Copérnico, de modo que nem este nem Aristóteles pareciam ter razão. Brahe imaginou que o Sol se movesse ao redor da Terra e os outros astros ao redor dele, mas não propôs nenhuma teoria nova. Insistiu, porém, na importância da precisão das observações. Ao deixar de servir ao rei da Suécia, mudou-se para Praga a fim de trabalhar com Kepler, a quem passou um grande acervo de anotações.

Foi o alemão Johannes Kepler quem completou o estabelecimento das leis que regem o movimento dos astros. Enriquecendo seus conhecimentos com as anotações e experiências de Tycho Brahe, Kepler empreendeu o estudo da órbita de Marte e comparou sistematicamente suas observações com os conhecimentos antigos. Concluiu que o planeta não seguia uma rota circular, mas elíptica, o que demonstrava e aperfeiçoava a teoria de Copérnico. Em sua Astronomia nova (1609), obra revolucionária que firmava as bases de uma nova concepção científica, Kepler formulou a primeira de suas três leis. A primeira sustentava que os planetas descrevem uma elipse da qual o Sol é um dos focos. A segunda demonstrava que os planetas giram em torno do Sol, de tal modo que uma linha traçada a partir deles até o Sol atravessa sempre áreas iguais em iguais intervalos de tempo. Dez anos depois Kepler mostrou que o quadrado do período em que um planeta gira em torno do Sol é proporcional ao cubo da distância média que o separa deste.