尼古拉·哥白尼1473年2月19日生于波兰维斯瓦河畔的托伦，一个水陆交通极为便利的著名商业城市。哥白尼10岁丧父，由舅父抚养长大。18岁那年，哥白尼被送进波兰旧都的克拉科夫大学学习医学，在那里对天文学产生了浓厚的兴趣。1496年，23岁的哥白尼来到了文艺复兴的策源地意大利，先后在博洛尼亚大学和帕多瓦大学攻读法律、医学和神学。博洛尼亚大学的天文学家诺瓦拉对哥白尼影响极大，正是从他那里，哥白尼学到了天文观测技术以及希腊的天文学理论。对希腊自然哲学著作的系统钻研，给了他批判托勒密理论的勇气。1506年，他回到了阔别10年的祖国波兰，开始构思他的新宇宙体系。
整个古代世界的天文学基本上是行星天文学。儿歌唱道“天上的星星数不清”，其实肉眼可见的也就6000多颗。它们之中的绝大部分虽然“斗转星移”，但保持着固定的相对位置，仿佛全都镶嵌在一个巨大的透明天球上，随天球周日旋转。这些星被称为恒星。除恒星外，天空还有那么几颗星，它们极为明亮、光芒稳定，而且并不固定在某一个相对位置上。几个星期观测下来，便能发现它们在众星之间穿行，不断地改变位置。这些星被称为“行星”，希腊人叫它们“漫游者”。肉眼可见的行星除太阳和月亮外还有五颗，它们是金星、木星、水星、火星和土星。所有的恒星都步调一致地每天由东往西转动，周而复始，绝无例外。相比之下，行星的运动呈现出极度的不规则，它们有时往东，有时又向西，行踪诡秘。行星的这种奇特运动早就引起了古代天文学家的注意。希腊天文学将自己的任务规定为对行星运动给出合理的解释，特别按照毕达哥拉斯-柏拉图主义传统，用完美的正圆运动的复合来再现行星的表观（视）运动，即所谓“拯救现象”。托勒密的本轮-均轮宇宙体系就是希腊人为“拯救行星运动”所做出的最大努力。
本轮和均轮的叠加可以解释行星的逆行、亮度的变化；偏心匀速点的引入又进一步解释了行星运动速度的不均匀性。但是，随着观测材料的不断增多，为拯救这些现象所需要的轮子也不断增多。到了哥白尼时代，轮子数已增加到80多个，使得托勒密体系极为复杂。更为严重的问题是，托勒密体系中为了使理论与观测相一致所采用的办法，已越来越远离毕达哥拉斯主义的理想了：由于引入了偏心匀速点，地球实际上既不处在宇宙的几何中心，也不处在运动中心。托勒密所保留的只有匀速圆周运动和静止不动的地球这两个概念。
到了哥白尼的时代，由于航海事业的大发展，对于精确的天文历表的需要变得日益迫切。但是，用以编制历表的托勒密理论越来越烦琐。人们开始关注天文学理论的变革。哥白尼也正是在这个紧要关头提出了自己的革命性理论。
1509年，哥白尼写出了关于日心体系的《概要》，并将之抄赠朋友们传阅。1512年，哥白尼被派往波罗的海海滨的弗洛恩堡（今波兰弗龙堡）教堂任职。此后30年，哥白尼一直在这个教区工作。他关心普通百姓的生活，为穷人治病，深得人心。在业余时间，他继续他的天文观测，其居住的小角楼成了“天文台”。同时，他进一步深入地思考新的宇宙体系，提出以“日心说”代替“地心说”的伟大构想。从1514年开始，哥白尼陆续向外界散发一些关于“日心说”的纲要性材料，并且积累天文数据，准备撰写一部大书，系统地阐述新的理论。1538年，德国维滕堡大学的青年数学讲师雷提卡斯旅行到纽伦堡，听说了哥白尼的新理论，遂决定专程到弗洛恩堡拜访他。1539年，雷提卡斯终于见到了哥白尼。两人一见如故。多年与外界隔离的哥白尼终于找到了一位学者，可以向其讲解他那部已经完成的伟大著作《天球运行论》（旧译《天体运行论》），于是，雷提卡斯原本的短期访问变成了长期访学，雷提卡斯也成了哥白尼毕生的唯一学生。雷提卡斯意识到，哥白尼的这部著作具有无可比拟的重要性，必须立即出版。哥白尼行事谨慎，担心书出版后会因观点激进、数据不准等原因受人嘲笑或遭到冷落，但同意由雷提卡斯先写一本小册子简要介绍他的学说。于是雷提卡斯写出了《关于哥白尼〈天球运行论〉的第一份报告》（Narratioprima），并于1540年在但泽（今波兰格但斯克）出版。之后，雷提卡斯继续力劝哥白尼出版《天球运行论》。哥白尼终于在1541年动心了，决定委托雷提卡斯负责出版事宜，把手稿送到纽伦堡印刷商那里。拖了一段时间后，雷提卡斯要返回维滕堡大学担任教授，就把出版工作交给纽伦堡圣劳伦斯教堂的教士奥西安德办理。奥西安德是一个新教徒，他知道新教领袖马丁·路德坚决反对哥白尼的日心说，还说过这样一段很过激的话：“人们正在注意一个突然发迹的天文学家，他力图证明是地球在旋转，而不是日、月、星辰诸天在旋转……这个蠢材竟想把整个天文学连底都翻过来，可是《圣经》明白写着，约书亚喝令停止不动的是太阳，而不是地球。”所以，奥西安德很害怕该书对教会刺激太大。结果，他擅自在书前加了一个“关于本书的假设告读者”的前言。“告读者”中说，哥白尼只是构造了一个宇宙的数学模型以方便计算，不一定是对实在世界的真实描述。由于这篇前言没有署名，人们一直以为是哥白尼本人写的。直到1609年，开普勒才发现并向世人公开，这篇“告读者”根本不是哥白尼写的。
1543年5月24日，刚刚印好的《天球运行论》送到了哥白尼面前。这时候，他已经因中风卧床很久了。据说，他只用颤抖的手抚摸了一下这本书，就与世长辞了。
《天球运行论》（Derevolutionibusorbiumcoelestium）的中译名是人所共知的《天体运行论》。将“天球”译成“天体”，是将现代人的看法强加于古人。因为哥白尼沿袭了希腊人的看法，认为天空转动着的是“天球”，所有的星星只不过是附着在天球之上。全书共分6卷，第1卷是关于日心宇宙体系的总概说，其余各卷则具体运用日心说来解释各大行星的视运动。
哥白尼在卷首献词中叙述了日心地动说的由来和大致思想：
我对传统天文学在关于天球运动的研究中的紊乱状态思考良久。想到哲学家们不能更确切地理解最美好和最灵巧的造物主为我们创造的世界机器的运动，我感到懊恼……由于这个缘故，我不辞辛苦重读了我所能得到的一切哲学家的著作，希望了解是否有人提出过与天文学教师在学校里所讲授的不相同的天球运动。实际上，我首先在西塞罗的著作中查到，赫塞塔斯设想过地球在运动。后来我在普鲁塔尔赫的作品中也发现，还有别的一些人持有这一见解……
从这些资料受到启发，我也开始考虑地球的可动性。虽然这个想法似乎很荒唐，但我知道为了解释天文现象的目的，我的前人已经随意设想出各种各样的圆周。因此我想，我也可以用地球有某种运动的假设，来确实是否可以找到比我的先行者更可靠的对天球运行的解释。
于是，假定地球具有我在本书后面所赋予的那些运动，我经过长期、认真的研究终于发现：如果把其他行星的运动与地球的轨道运行联系在一起，并按每颗行星的运转来计算，那么不仅可以对所有的行星和球体得出它们的观测现象，还可以使它们的顺序和大小以及苍穹本身全都联系在一起，以致不能移动某一部分的任何东西而不在其他部分和整个宇宙中引起混乱。
构成托勒密宇宙体系的是如下四个假定：第一，天是球形的而且像球那样转动；第二，地也是球形的；第三，地位于天的中央；第四，地球静止，不参与转动。哥白尼对前两点是赞同的，但不同意后两点。
首先，哥白尼提出了地球自转和公转的概念。全部星空的周日旋转实际上是地球自转造成的，正是地球由西向东绕轴自转，才引起昼夜的变化；而太阳的周年视运动，实际上是由地球绕太阳每年公转一周造成的。哥白尼沿袭了自希腊以来的天球运动模式，认为地球绕太阳公转的方式亦是被镶嵌在一个天球上（这也是哥白尼的伟大著作要译成“天球运行论”而不是“天体运行论”的原因）。但这样一来，地球的自转轴就不能与黄道面保持一个固定不变的角度，为此，哥白尼不得不加入第三重运动。这个周年的第三重旋转运动抵消了公转造成的地球自转轴与黄道面夹角的变化，使之保持固定不变。我们之前说过，正是这个固定不变的角度造成了地球上中高纬地区四季的差别。
其次，哥白尼用太阳取代地球作为宇宙的中心。所有的行星包括地球均以太阳为中心转动。这一变动使得各大行星的运动获得了统一性。本来在托勒密体系中，水星、金星是所谓的内行星，它们在各自均轮上的运行周期是一年，而火星、木星、土星这三个外行星，它们的本轮运动周期为一年。这里实际上均包含了与太阳有关的周年运动的因素，但得不到合理的解释。将太阳视作宇宙中心之后，这一因素就成了诸行星绕共同的中心太阳运行的证据。此外，在托勒密体系中，无法解释内行星的本轮中心为何总是处在日地连线上。宇宙中心转换之后，这一点也变得极为自然。总而言之，日心体系使行星运动具有确定性和统一性，而地心体系中每颗行星各有其独特的运动结构，整体上可以有不同的几何构成，不具有唯一性。
哥白尼最终构造的宇宙图景是：最外层是恒星天，它是静止不动的，构成了行星运动的参考背景；最远的行星是土星，其运行周期是30年。之后依次是木星，周期12年；火星，周期2年；地球，周期1年；金星，9个月；最后是水星，88天绕太阳一周。月亮是地球的卫星，它既随地球绕太阳转动，每月又绕地球旋转一周。
日心说受到的责难一开始完全是科学和常识上的。首先，人们怀疑，如果地球以如此大的速度运动，那必定会分崩离析。哥白尼的解释是，从前比地球大得多的天球以更大的速度旋转都不会瓦解，地球当然也不会。其次，有人质疑说，既然地球在运动，那地球上的物体为何没有被抛在后面。对这一点，哥白尼的回答不是特别有力。最后，是一个老问题，地球如果相对于恒星运动，那么应该可以观察到恒星的周年视差，可实际上从来也没有观测到过恒星视差。哥白尼的回答是：“它们非常遥远，以致周年运动的天球及其反映都在我们的眼前消失了。光学已经表明，每一个可以看见的物体都有一定的距离范围，超出这个范围它就看不见了。从土星（这是最远的行星）到恒星天球，中间有无比浩大的空间。”因此，我们根本觉察不到恒星的周年视运动。
日心说相比地心说最明显的优点是它的简洁性，连哥白尼学说的反对者们也承认这一点。大小轮子由80多个减少到约34个。此外，哥白尼成功地恢复了毕达哥拉斯主义的理想，正圆运动得以更好地保持，几乎所有的本轮和均轮都沿同一个方向运行，偏心匀速点被取消，太阳真正处于宇宙的中心。
哥白尼革命带动了一系列观念上的变革。首先，它使地球成为不断运动的行星之一，打破了亚里士多德物理学中天地截然有别的界限。其次，它破除了亚里士多德的绝对运动概念，引入了运动相对性的观念。再次，宇宙中心的转变，暗示了宇宙可能根本就没有中心，而无中心的宇宙是与希腊古典的等级宇宙完全对立的。最后，由于地球运动起来了，恒星层反而可以静止不动，这样一来，诸恒星也就不必处在同一个球层。过去人们一直认为，既然恒星层是转动的，那就不可能是无限的。如今恒星层可以没有运动，借以论证宇宙有限的理由也就不再成立了。英国哲学家托马斯·迪吉斯1576年发表了《天球运行的完整描述》一书。在该书中，迪吉斯宣称恒星层可以向上无休止地延长。恒星不一定都处在同一球面上，可以有高有低，只是由于恒星距离太远，地球人才觉察不出其高低的差别。有些星星较小是因为距离较远，而大多数星星因距离太远而不被我们看见。迪吉斯实际上含糊地说出了宇宙的无限性，但他是一个哥白尼主义者，还保留了恒星天层内的一切天球结构。
