コペルニクスのもっとも重要な業績は、地動説の再発見である。当時はプトレマイオスが2世紀中ごろに大成した天動説が一般的な学説であったが、惑星観測の精度が上がるたびに、惑星の運行を説明するための周転円の数が増えていき、非常に複雑なものとなっていた。 この複雑さを解消するために、コペルニクスは地球を太陽の周りを回るものと仮定し、その結果従来の天動説よりもずっと簡単に天体の逆行運動などを説明できることを発見した。 それまでの天動説においては地球を中心にし、内側から月・水星・金星・太陽・火星・木星・土星の順に、惑星を並べていたのに対し、コペルニクスは太陽を中心として公転周期の短い惑星から順に配置していき、惑星は内側から水星、金星、地球、火星、木星、土星の順に太陽の周りをまわっているとした。また、月のみは地球の周りを回転していると考えた。 ただしコペルニクスは、惑星は完全な円軌道を描くと考えており、その点については従来の天動説と同様であり、単にプトレマイオスの天動説よりも周転円の数を減らし、エカントを排除したに過ぎない。 またコペルニクスは、惑星や恒星がその上に張り付き運動すると考えられた、いわゆる天球については実在を疑っていなかった。