A tübingeni egyetemen lutheránus lelkésznek készült, de tanulmányainak befejezése után 1594-től matematikát tanított egy grazi szemináriumban. Már tanulmányai során Kopernikus elméletének híve lett. 1600-tól Prágában Tycho Brahe mellett dolgozott, s nem sokkal később utóda lett, mint Rudolf császár udvari csillagásza. Brahe és sajátmaga által végzett pontos mérések alapján a bolygópályák számításával foglalkozott. A Mars bolygó pályaszámítása alapján ismerte fel első két törvényét, amelyeket 1609-ben Astronomia Nova című művében ismertetett: 1. A bolygók pályái olyan ellipszisek, amelyeknek egyik gyújtópontjában van a Nap. 2. A bolygót a Nappal összekötő vezérsugár azonos idő alatt azonos területet súrol. 1612-ben, Rudolf császár lemondása után Linzbe költözött, itt adta ki 1619-ben Harmonices mundi című művét, amelyben kimondta harmadik törvényét: A bolygók keringési idejének négyzete arányos pályájuk fél nagytengelyének köbével. Ezzel megvetette a korszerű csillagászat alapjait, és előkészítette Newton általános tömegvonzási elméletét. Jelentős felismerései voltak az optikában is: elemezte a látás folyamatát, lefektetve az emberi szem szerkezetére vonatkozó alapismereteket. A Galileitől kapott távcső továbbfejlesztésével megkonstruálta az ún. Kepler-távcsövet.