Tác phẩm nghiên cứu khoa học đầu tiên của ông được biết đến và đánh giá cao là cuốn sách "Mysterium Cosmographicum" (Bí ẩn vũ trụ).
Ông được biết đến bởi các định luật về chuyển động và quỹ đạo của các hành tinh, ông cũng là người phát minh ra kính viễn vọng phản xạ (kính viễn vọng Kepler).
Những nghiên cứu và phát minh của ông phải đến tận sau này mới được đánh giá chính xác, do thời bấy giờ người ta vẫn còn nhầm lẫn giữa thiên văn học và chiêm tinh học. Tác phẩm nghiên cứu khoa học đầu tiên của ông được biết đến và đánh giá cao là cuốn sách "Mysterium Cosmographicum" (Bí ẩn vũ trụ).
Johannes Kepler được biết đến bởi các định luật về chuyển động và quỹ đạo của các hành tinh.
Ngày 9 tháng 7 năm 1595, ông xuất bản cuốn sách này và lần đầu tiên công bố về cơ sở hình học của vũ trụ, hay còn được gọi là mô hình Platon. Tuy nhiên vào lúc đó, Kepler mới chỉ tính toán được các hình dạng quỹ đạo của các hành tinh theo những đa giác đều.
Về cơ bản, ông xây dựng một hình mẫu vũ trụ với các hình khối đa diện 3 chiều. Trong đó, ông sử dụng các hình đa giác với kích thước và hình dáng dựa theo tính toán của mình. Sau đó lồng ghép chúng vào nhau tạo thành một khối đa diện 3 chiều, mô phỏng kết cấu của hệ Mặt Trời.
Sau khi hoàn tất mô hình của mình tương ứng với 6 hành tinh được biết đến thời bấy giờ là sao Thủy, sao Kim, Trái đất, sao Hỏa, sao Mộc và sao Thổ. Kepler nhận ra rằng các hình đa giác mà ông tạo ra có thể là hình nội tiếp hay ngoại tiếp của một hình tròn hoặc elip.
Mô hình vũ trụ đa diện Platon.
Từ đó, ông bắt đầu nghĩ rằng quỹ đạo của các hành tinh có thể là các đường vòng cung. Tiếp đó, ông thử tính toán mối liên hệ giữa các hành tinh và quỹ đạo của chúng. Và để lý giải vì sao các hành tinh lại có quỹ đạo khác nhau. Tuy nhiên các tính toán của ông lúc đó chưa thực sự chính xác.
Mặc dù vậy cuốn sách Mysterium Cosmographicum đã đặt nền móng đầu tiên cho thiên văn học trong việc tìm hiểu quỹ đạo của các hành tinh trong hệ Mặt Trời. Ngoài công trình nghiên cứu này, Kepler còn đóng góp rất nhiều nghiên cứu khác về thiên văn học.
Trong đó phải kể đến nghiên cứu về mối tương quan giữa vị trí của các hành tinh và hiện tượng thời tiết. Kepler đã tìm ra rằng chính vị trí của Trái đất so với Mặt Trời quyết định điều kiện thời tiết như xuân, hạ, thu, đông. Ông cũng có nhiều nghiên cứu về Mặt trăng và sự chuyển động của các vệ tinh xung quanh những ngôi sao.
Năm 2009, NASA đã sử dụng tên lửa đẩy Delta II để đưa kính thiên văn Kepler vào không gian. Đây là một sứ mệnh lịch sử chứ không đơn thuần là sứ mệnh khoa học, giúp chúng ta trả lời câu hỏi: "Liệu trái đất có phải là hành tinh duy nhất có sự sống hay không?". Tên gọi của kính thiên văn này được đặt theo tên của ông để tưởng nhớ phát kiến của ông về việc các hành tinh xoay quanh quĩ đạo của các ngôi sao.