行星在围绕太阳旋转时，在天球*上划出一定的轨道，以往的天文学家认为这种轨道呈圆形。
17 世纪初，天文学家开普勒在研究火星运动时发现，火星有时距离太阳远些，有时距离太阳近些，这说明火星的运行轨道并不是圆形。开普勒决心找出火星及其他行星的运行规律。他耐心、仔细地研究了火星在天球上年复一年的运动，面对大量的、枯燥的天文数字反复计算，毫不气馁。他曾这样激励自己：“我的团队溃败了，但我又召集新兵去作战。”尽管当时他所在国家奥地利国势混乱，他仍把全部精力投入到对火星的研究上。一年又一年过去了，开普勒忍受着疾病和贫困的折磨，一刻也没有停止过“战斗”。他花费了将近20 年的时间，终于发现了行星运动的三大定律，揭开了行星世界的秘密。
根据开普勒第一定律，行星在太阳附近空间里运行的轨道是椭圆形的，太阳位于椭圆的一个焦点上。因此行星在绕日运行时，有时离太阳远些，有时离太阳近些，每个行星轨道都是椭圆的，太阳位于一个焦点上。根据开普勒第二定律，行星在其轨道运行时，它的速度时刻都在变化着。当它离太阳最近时（这一点叫近日点），速度最快，当它离太阳最远时（这一点叫远日点），速度最慢。开普勒第三定律确定了行星椭圆形轨道半长轴和公转周期的关系。
* 天球：在天文学上利用我们对天空直观的视觉印象，保留一个假想的球而，作为一种辅助工具，用来确定天体在天空中的直观的分布和运行情况。这个球面在天文学上叫天球。
开普勒行星运动三大定律，描绘了行星在天球上的运动景象，第一次把行星在天球上的真实运动展现在人们面前。