克卜勒運用幾何速率法則，假定軌道是蛋形軌道，計算火星的整體軌道，但經歷約40次失敗，1605年初，他最終偶然想到「橢圓形」這個概念，並發現橢圓形軌道適用於火星的數據，他立即推斷出所有行星都以太陽為中心按照橢圓形運動，這是克卜勒關於行星運動的第一定律。然而，1605年年底，他完成了《新天文學》（Astronomia nova）的手稿，但是因為使用第谷天文台的數據引起法律爭議，這部著作直到1609年才發表。
克卜勒深信「幾何事物向造物主提供裝飾整個世界的模型」。1619年，他發表《世界的和諧》（Harmonices Mundi），嘗試用音樂解釋自然世界的比例，特別是天文學與占星學，而世界和諧的中心是「天體音樂」。克卜勒也在這部作品清楚說明「行星公轉周期的平方與離太陽的平均距離的三次方成正比」，這是關於行星運動的第三定律。
克卜勒的晚年顛沛流離，從布拉格皇宮、奧地利林茲（Linz）、德國烏爾姆（Ulm）等地，最後到了德國的雷根斯堡（Regensburg），不久後克卜勒就病了。1630年11月15日，他逝於雷根斯堡，享年58歲，他葬在該地，他生前就寫好的墓志銘流傳至今：「我曾測天高，今欲量地深。我的靈魂來自上天，凡俗肉體歸於此地。」（Mensus eram coelos, nunc terrae metior umbras：Mens coelestis erat, corporis umbra iacet.）
