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开普勒发现了行星运动三大定律，分别是轨道定律、面积定律和周期定律。这三大定律可分别描述为：所有行星分别是在大小不同的椭圆轨道上运行。在同样的时间里行星向径在轨道平面上所扫过的面积相等。行星公转周期的平方与它同太阳距离的立方成正比。这三大定律最终使他赢得了天空立法者的美名。同时他对光学、数学也做出了重要的贡献，他是现代实验光学的奠基人。
全欧洲的天文学者们都阅读了哥白尼天文学概要。开普勒死后，该书成为传播其思想的主要工具。1630至1650年间，该书成为使用最多的天文学教科书，使许多人改信椭圆为基础的天文学。然而，很少人接受他建立于物理基础上的天体运动的观点。
在17世纪后期，许多从开普勒的著作产生出来的天体物理学理论，尤其是乔瓦尼阿方索博雷利和罗伯特胡克的理论，开始包含引力（虽然不是开普勒假定的准精神运动类）和笛卡尔惯性概念。而牛顿的数学原理则是这些理论的顶峰，在该著作中，牛顿从以力为基础的万有引力定律得出了开普勒行星运动定律。
作为那年新年的礼物，开普勒为他的朋友也是多年的赞助人瓦克瓦克亨菲尔斯男爵，写了一本简短的小册子，题为六角雪花。文中，开普勒发表了他首次对雪花六角对称性的描述，并将该问题扩展成为对称性的一个假设性原子论物理基础，并造就了后来人们所知道的开普勒猜想，最有效的球体填充方法说明。开普勒是将无限小应用到数学的先驱。
