對(duì)火星軌道的研究是開普勒重新研究天體運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn).在第谷遺留下來的數(shù)據(jù)資料中,火星的資料是最豐富的,而哥白尼的理論在火星軌道上的偏離也是最大的.開始,開普勒用正圓編制火星的運(yùn)行表,發(fā)現(xiàn)火星老是出軌.他便將正圓改為偏心圓.在進(jìn)行了無數(shù)次的試驗(yàn)后,他找到了與事實(shí)較為符合的方案.可是,依照這個(gè)方法來預(yù)測衛(wèi)星的位置,卻跟第谷的數(shù)據(jù)不符,產(chǎn)生了8分的誤差.這8分的誤差相當(dāng)于秒針0.02秒瞬間轉(zhuǎn)過的角度.開普勒知道第谷的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是可信的,那錯(cuò)誤出在什么地方呢?正是這個(gè)不容忽略的8分使開普勒走上了天文學(xué)改革的道路.他敏感的意識(shí)到火星的軌道并不是一個(gè)圓周.隨后,在進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)后,開普勒將火星軌道確定為橢圓,并用三角定點(diǎn)法測出地球的軌道也是橢圓,斷定它運(yùn)動(dòng)的線速度跟它與太陽的距離有關(guān).經(jīng)過長期繁復(fù)的計(jì)算和無數(shù)次失敗,他終于發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動(dòng)的三條定律：
1.所有行星圍繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓,太陽處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上；
2.行星的向徑在相等的時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積（圖4-8）.
3.所有行星軌道半長軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等,即
行星運(yùn)動(dòng)三定律的發(fā)現(xiàn)為經(jīng)典天文學(xué)奠定了基石,并導(dǎo)致數(shù)十年后萬有引力定律的發(fā)現(xiàn).