Schon als Student in Bologna fielen ihm bei der Bedeckung des Sterns Aldebaran durch den Mond die Abweichungen vom berechneten Lauf der Gestirne auf. Etwa im Jahr 1510 hat er in seinem "Kleinen Kommentar" die Grundzüge des neuen Weltbildes skizziert. Allerdings hat er diesen Text nie veröffentlicht, sondern lediglich einige Abschriften im Freundeskreis verteilt.

Erst in seinem Todesjahr, 1543, erschien das Hauptwerk "De revolutionibus", "Von den Umläufen". Es enthält die älteste überlieferte korrekte Darstellung des Aufbaus unseres Planetensystems. Im Zentrum steht nicht die Erde, sondern die Sonne. Die Erde kreist als einer der damals bekannten sechs Planeten um den Stern in der Mitte. Damit begründete Nicolaus Copernicus die neuzeitliche Astronomie.

Allerdings blieb auch er in vielem noch in den antiken Denkmustern gefangen. So ging er fälschlicherweise von kreisförmigen und nicht elliptischen Planetenbahnen aus.

Die Idee eines heliozentrischen Weltbildes galt damals eher als Unsinn denn als Ketzerei. Auf den Index der verbotenen Bücher kamen die Werke des Copernicus erst 70 Jahre später, als sich Galileo Galilei auf sie berief.