《天体运行论》于1543年在德国纽伦堡用拉丁文出版。原稿无书名，由出版者命名为 《论天体旋转的六卷集》，后人简称《天体运行论》，四百多年来这部著作已被译为多种语言 在世界各国出版。全书共六卷。第一卷为宇宙论，简述了整个宇宙的结构，是全书的精髓。
  这一卷分四章，先后论述 了“宇宙是球形”、“大地也是球形”、“天体的运动是均匀永恒之圆运动或复合运动”。哥白 尼说，“天体的这种旋转运动对于球来说是固有的性质，它反映了球形的特点。球这种形状的特点是简单、没有起点、也没有终点，旋转时不能将各部分相区别。
  而且球体形状也正是旋转作用本身造成的。”第二卷运用三角学论证天体运行的基本规律，其中哥白尼首创了平面三角和球面三角的演算方法；第三卷为恒星表；第四卷叙述了地球绕轴运行和周年运行；第五卷阐述了地球的卫星月球；第六卷是关于行星运行的理论。哥白尼在《天体运行论》中还详细讲解了地球的三种运动（自转、公转、赤纬运动）所引起的一系列现象一一岁差现象、月球运动、行星运动的规律及金星、水星的纬度偏离和轨道平面的倾角。
  《天体运行论》的诞生使当时所知道的太阳系内天体的位置和运状况更为完整了。哥白尼分析了托勒密体系中的行星运动，发现每个行星都有三种共同的周期运动，一日一周、一年一周和相当于岁差的周期运动。他认为，若把这三种运动都归到被托勒密视为静止不动的地球上，就可消除他的体系里不必要的复杂性。
  因此，哥白尼建立起一个新的宇宙体系，即太阳居于宇宙的中心静止不动，而包括地球在内的行星都绕太阳转动的“日心体系”。离太阳最近的是水星，其次是金星、地球、火星、木星和土星。只有月球绕地球转动。恒星则在离太阳很远的一个天球面上静止不动。哥白尼把统率整个宇宙的支配力量赋予太阳，而各个天体则都有其自然的运动。
  他系统而明晰地批判了地球中心说，而且从物理学的角度对日心地动说可能遭到的责难提出了答复。