В 1589 году Кеплер окончил школу при монастыре Маульбронн, обнаружив выдающиеся способности. Городские власти назначили ему стипендию для помощи в дальнейшем обучении.
В 1591 году он поступил в университет в Тюбингене сначала на факультет искусств, к которым тогда причисляли и математику с астрономией, затем перешёл на теологический факультет. Первоначально, Кеплер планировал стать протестантским священником, но, благодаря незаурядным математическим способностям был приглашён в 1594 году читать лекции по математике в университете города Грац.
В Граце Кеплер провёл 6 лет. Здесь вышла в свет (1596 год) его первая книга «Тайна мира» (Mysterium Cosmographicum). В ней Кеплер попытался найти тайную гармонию Вселенной, для чего сопоставлял орбитам пяти известных тогда планет (Сферу Земли он выделял особо) различные «платоновы тела» (правильные многогранники). Орбиту Сатурна он представлял, как круг (ещё не эллипс) на поверхности шара, описанного вокруг куба. В куб в свою очередь был вписан шар, который должен был представлять орбиту Юпитера. В этот шар был вписан тетраэдр, описанный вокруг шара, представлявшего орбиту Марса и т. д. Эта работа после дальнейших открытий Кеплера утратила своё первоначальное значение (хотя бы потому, что орбиты планет оказались не круговыми); тем не менее, в наличие скрытой математической гармонии Вселенной Кеплер верил до конца жизни, и в 1621 году переиздал «Тайну мира», внеся в ней многочисленные изменения и дополнения.
Книгу «Тайна мира» Кеплер посылал Тихо Браге (15461601 годы). Тихо Браге отверг надуманные построения Кеплера, однако высоко оценил его знания, оригинальность мысли и пригласил Кеплера к себе.
Когда в католическом Граце начались гонения на протестантов. Кеплер был занесён в список изгоняемых «еретиков» и вынужден был покинуть город. Он принял приглашение Тихо Браге, который к этому времени переехал в Прагу и служил у императора «Священной Римской империи германской нации» Рудольфа «II» придворным астрономом и астрологом.
В 1600 году Кеплер прибыл в Прагу. Проведённые здесь 10 лет были самым плодотворным периодом его жизни.
Вскоре выяснилось, взгляды Кеплера на астрономию Тихо Браге разделял лишь отчасти. Чтобы сохранить геоцентризм, Браге предлагал компромиссную модель, все планеты, кроме Земли, вращаются вокруг Солнца, а Солнце вращается вокруг неподвижной Земли (Гео-гелиоцентрическая система Мира). Эта теория получила большую известность и в течение нескольких десятилетий являлась основным конкурентом системы Мира Кеплера.
После смерти Браге в 1601 году Кеплер стал его преемником в должности. Казна императора из-за нескончаемых войн была постоянно пуста. Жалованье Кеплеру платили редко и скудно. Он был вынужден подрабатывать составлением гороскопов. Кеплеру пришлось также вести многолетнюю тяжбу с наследниками Тихо Браге, которые пытались отобрать у него, среди прочего имущества покойного, также и результаты астрономических наблюдений. В конце концов, от них удалось откупиться.
В 1604 году Кеплер опубликовал свои наблюдения сверхновой, называемой теперь его именем.
Будучи великолепным наблюдателем, Тихо Браге за много лет составил объёмный труд по наблюдению планет и сотен звёзд, причём точность его измерений была существенно выше, чем у всех предшественников. Для повышения точности Браге применял как технические усовершенствования, так и специальную методику нейтрализации погрешностей наблюдения. Особо ценной явилась систематичность измерений.
На протяжении нескольких лет Кеплер внимательно изучал данные Браге и в результате тщательного анализа пришёл к выводу, траектория движения Марса представляет собой не круг, а эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце положение, известное сегодня как «Первый закон Кеплера».
Дальнейший анализ привёл ко «Второму закону Кеплера», радиус-вектор, соединяющий планету и Солнце, в равное время описывает равные площади. Это означает, чем дальше планета от Солнца, тем медленнее она движется.
Оба закона были сформулированы Кеплером в 1609 году в книге «Новая астрономия», причём, осторожности ради, он относил их только к Марсу.
В 1612 году, собрав скудные средства, Кеплер переехал в Линц, где прожил 14 лет. За ним была сохранена должность придворного математика и астронома, но в деле оплаты новый император Матвей был ничем не лучше старого. Некоторый доход приносило преподавание математики и гороскопы.