開普勒就讀於符騰堡州圖賓根大學，1588年獲得學士學位，三年後獲得碩士學位。當時大多數科學家拒不接受哥白尼的日心說。在圖賓根大學學習期間，他聽到對日心學說所做的合乎邏輯的闡述，很快就相信了這一學說。在圖賓根大學畢業後，開普勒在格拉茨研究院當了幾年教授。在此期間完成了他的第一部天文學著作（1596年）。雖然開普勒在該書中提出的學說完全錯誤，但卻從中非常清楚地顯露出他的數學才能和富有創見性的思想，於是偉大的天文學家第谷·布拉赫邀請他去布拉格附近的天文臺給自己當助手。開普勒接受了這一邀請，1600年1月加入了泰修的行列。第谷翌年去世。開普勒在這幾個月來給人留下了非常美好的印象，不久聖羅馬皇帝魯道夫就委任他為接替第谷的皇家數學家。開普勒在餘生一直就任此職。作為第谷·布拉赫的接班人，開普勒認真地研究了第谷多年對行星進行仔細觀察所做的大量記錄。第谷是望遠鏡發明以前的最後一位偉大的天文學家。

開普勒認為透過對第谷的記錄做仔細的數學分析可以確定哪個行星運動學說正確的：哥白尼日心說，古老的托勒密地心說，或許是第谷本人提出的第三種學說。但是經過多年煞費苦心的數學計算，開普勒發現第谷的觀察與這三種學說都不符合，他的希望破滅了。最終開普勒認識到了所存在的問題：他與第谷、拉格茨·哥白尼以及所有的經典天文學家一樣，都假定行星軌道是由圓或複合圓組成的。但是實際上行星軌道不是圓形而是橢圓形。就在找到基本的解決辦法後，開普勒仍不得不花費數月的時間來進行復雜而冗長的計算，以證實他的學說與第谷的觀察相符合。開普勒對此運動性質的研究，我們可以看到萬有引力定律已見雛形。開普勒在萬有引力的證明中已經證到：如果行星的軌跡是圓形，則符合萬有引力定律。而如果軌道是橢圓形，開普勒並未證明出來。牛頓後來用很複雜的微積分和幾何方法證出。

1600年，開普勒出版了《夢遊》一書，這是一部純幻想作品，說的是人類與月亮人的交往。書中談到了許多不可思議的東西，像噴氣推進、零重力狀態、軌道慣性、宇宙服等等，人們至今不明白，近400年前的開普勒，他是根據什麼想象出這些高科技成果的。儘管開普勒的書是純幻想作品，但它一定有一些背景來源，比如像畢達哥拉斯的話或古希臘神話。

1604年9月30日，開普勒在巨蛇星座附近發現了一顆新星（現知是銀河系內的一顆超新星）。他雖視力不佳，仍持續觀測了十幾個月。他把觀測結果發表在1607年出版的《巨蛇座底部的新星》一書中，打破了星座無變化的傳統說法。這一年他看到了一顆大彗星，即後來定名的哈雷彗星。當時不論是地心說還是日心說，都認為行星作勻速圓周運動。但開普勒發現，對火星的軌道來說，按照哥白尼、托勒密和第谷提供的三種不同方法，都不能推算出同第谷的觀測相吻合的結果，於是他放棄了火星作勻速圓周運動的觀念，並試圖用別的幾何圖形來解釋，經過四年的苦思冥想，也就是到了1609年他發現橢圓形完全適合這裡的要求，能做出同樣準確的解釋，於是得出了“開普勒第一定律”：火星沿橢圓軌道繞太陽執行，太陽處於兩焦點之一的位置。

行星運動第二定律認為行星執行離太陽越近則執行就越快，行星的速度以這樣的方式變化：行星與太陽之間的連線在等時間內掃過的面積相等。十年後開普勒發表了他的行星運動第三定律：行星距離太陽越遠，它的運轉週期越長；運轉週期的平方與到太陽之間距離的立方成正比。開普勒定律對行星繞太陽運動做了一個基本完整、正確的描述，解決了天文學的一個基本問題。這個問題的答案曾使甚至像哥白尼、伽利略這樣的天才都感到迷惑不解。當時開普勒沒能說明按其規律在軌道上執行的原因，到17世紀後期才由艾薩克·牛頓闡明清楚。牛頓曾說過：“如果說我比別人看得遠些的話，是因為我站在巨人的肩膀上。”開普勒無疑是他所指的巨人之一。

開普勒發現了行星運動的三大定律，分別是軌道定律、面積定律和週期定律。這三大定律最終使他贏得了“天空立法者”的美名。同時他對光學、數學也做出了重要的貢獻，他是現代實驗光學的奠基人，他研究了針孔成像，並從幾何光學的角度加以解釋，並指出光的強度和光源的距離的平方成反比。開普勒也研究過光的折射問題，1611年發表了《折光學》一書，最早提出了光線和光束的表示法，並闡述了近代望遠鏡理論，他把伽利略望遠鏡的凹透鏡目鏡改成小凸透鏡，這種望遠鏡被稱為開普勒望遠鏡。

1630年11月15日，約翰尼斯·開普勒在德國巴伐利亞州雷根斯堡病故，享年58歲。