1506年，哥白尼在意大利获得博士学位后，充满信心地回到了波兰。他虽然在赫尔斯堡的教会中担任了职务，但哥白尼却一刻也没有放弃他的创立太阳中心说的工作。
新体系的创立需要建立在可靠的实际观测的基础上。于是，哥白尼白天做牧师，晚上，便找来一把椅子放在阳台上，他就坐在这把椅子上，用自己制做的四分仪、三角仪、等高仪和捕星仪等观测仪器，全神贯注地观测着天象变化的规律。这样坐着，时间久了，他的脖子仰痛了，就变换一个姿势，但眼睛却仍然舍不得离开天空。这样自由自在地观察星空，是哥白尼整天都在期待的时刻。一天中只有这个时刻，才是哥白尼最愉快、最幸福的时候。此时，对于哥白尼来讲，除了灿烂的苍穹，其他的一切似乎都不存在了。
1511年，也就是哥白尼从意大利回来的第6年，哥白尼把自己多年来研究的成果以书信的形式撰写成一篇论文，寄给了自己的朋友和他所熟悉的天文学家。这篇论文开头的第一句话是：“尼古拉·哥白尼浅说自己提出的关于天体运动的假设。”于是，这篇论文的名字就被简称为《浅说》。在以后的几年时间里，这篇《浅说》几乎传遍了整个欧洲。哥白尼在《浅说》中简明扼要地阐述了他的日心说的基本思想：
一、不存在一个所有天体及其轨道的中心点。
二、地球中心不是宇宙中心，只是重心和月球轨道的中心。
三、所有天体都围绕作为自己中心点的太阳运转，因此太阳位于宇宙中心的附近。
四、地球到太阳的距离同天穹高度之比，就如同地球半径同地球与太阳间距之比一样渺小。地球到太阳的距离同天穹高度之比是微不足道的。
五、在天空中看到的所有运动，都是由地球自己的运动造成的。
六、使人感到太阳在运动的一切现象，都不是由太阳的运动产生的，而是由地球及其大气层的运动造成的。
七、人们看到的行星向前和向后的运动，都不是行星自身的运动，而是由地球自身运动使人产生的错觉。
《浅说》是哥白尼太阳中心说理论的第一块基石。当然，要想在这块基石上建立起宏伟的大厦，还需要做许许多多的工作。关于这一点，哥白尼已经在思想上有了足够的准备。正如他在向他的朋友们宣读这篇《浅说》时所说的一样：“关于这门科学，关于宇宙的结构，我还知道得很有限。这份提纲不过是宇宙图景的一个轮廓，就仿佛是一座大厦的基础，我要用毕生的精力去充实它、丰富它！”
1512年，哥白尼的舅舅乌卡什·瓦兹洛德病逝。乌卡什·瓦兹洛德舅舅的病逝，给哥白尼带来了很大的打击。他怀念舅舅，是舅舅把他抚养成人，送他去大学读书。每当他在赫尔斯堡看到舅舅那些遗物，他就经受着感情上的痛苦和巨大的折磨。为了使自己尽快从这种感情上的折磨之中解脱出来，哥白尼决定离开赫尔斯堡，迁居到教区大教堂的所在地——弗隆堡。
在弗隆堡，哥白尼用舅舅留给他的钱买下一座箭楼，并且自己动手建起了一座小小的天文台。从此，他一面担负着牧师的工作，一面继续观测天象，研究天体运动，一直住到去世。
弗隆堡濒临波罗的海，常年潮湿多雾。但是在严冬的日子里，天空中往往很少有云彩。星星在蓝天上闪烁着极为耀眼的寒光。一到这个时候，哥白尼便紧紧抓住这种难得的机会，穿上皮袄，束紧风帽，把那些自制的捕星仪、测定仪等仪器统统搬到箭楼的露台上，通宵达旦地进行观测。面对深邃莫测的苍穹，哥白尼的思想随着斗转星移而不停地运动、升华。对漫天的星星，他做了当时所能做到的最详细而科学的观察。对于天体在宇宙的运行、位置和四季的变化的观测结果，他都认真地一一做了观察记录。后来，哥白尼在《天体运行论》一书中引用的27个观察材料，大部分都是这个时期记录下来的。
为了证实地球的形状，哥白尼曾多次站在波罗的海的海岸边观察来来往往的帆船。有一次，哥白尼请求一艘帆船在船的桅杆顶端绑上一个闪光的物体。哥白尼站在岸边看着这艘帆船慢慢驶远。过了一会儿，奇妙的情景出现了。哥白尼看到，随着那艘帆船的渐渐远去，帆船桅杆顶上的那个闪光的物体也在逐渐地降落，最后完全隐没，好像太阳下山一样。通过这次实地观察，哥白尼得出了一个非常重要的结论：不仅地球是圆形的，连海面也都是圆形的。
逐渐地，一个思想体系在哥白尼的大脑中开始成熟了：地球不是宇宙的中心，除了月亮是围绕着地球运转之外，地球也和其他行星一样，也都是在围绕着以太阳为中心的圆形轨道在运动的，而且地球还在不停地自转着。
哥白尼想把自己的这些想法写出来。经过深思熟虑，他决定写另一部关于天体运行的著作，这部著作的名字就叫做《天体运行论》。因为，哥白尼始终认为运动是生命的真谛——它存在于万事万物之中。上至天空，下至深海，静止死寂的东西是没有的。世上万事万物，都在变化、生长和消亡，千秋万代循环不已。寒冬和盛夏，诞生和死亡，全部都要按照自然的规律而不是上帝的安排来彼此交替。而他的《天体运行论》的中心内容，就是要通过天体运行的各种现象，来揭示大自然这个最根本的奥秘。
坚冰已经扫破，航线已经开通。从此以后，哥白尼便把自己的全部心血倾注到创立新的学说上。为了写好这部巨著，哥白尼几乎读遍了当时能够弄到手的各种文献和古典书籍，写下了许多读书札记。哥白尼非常勤奋，他把时间看得比金子还宝贵。哥白尼不知疲倦地写作着。为了早日完成《天体运行论》，哥白尼往往工作到东方发白才睡一下，然而，等到太阳初升的时候，他又坐在堆满书稿的桌前了。是啊，多年积累起来的见解，现在可以和盘托出了，那些反复思考的问题，现在可以写出答案了。一想到这些，哥白尼就感到无限的快慰。
写作并非像哥白尼想象的那样顺利。当哥白尼写完《天体运行论》第一卷之后，他遇到了一个很大的困难，即埃及的古代历法经过1000多年的辗转传抄，12个月份的名字已经被弄得非常混乱了。哥白尼在离开意大利波伦亚大学的时候，在老师的帮助下，也才仅仅能够写出4个月份的名字。正是由于这个原因，使得哥白尼无法引用古代的许多观测记录。
在埃及古代历法的研究上，哥白尼整整花去了10年的时间，却始终没有得出正确的结论。然而，在一个极偶然的机会中，哥白尼的问题却得到了顺利的解决。
有一天，两位神父来到哥白尼的住处，想向哥白尼借一些有关天文学方面的书籍。哥白尼取来钥匙，打开图书室的门，陪着两位神父挑选天文学方面的书。开始，哥白尼为他们推荐了好几种书，还向两位神父简单地讲了讲内容。可他们不是嫌书中的内容太深奥，就是觉得书的内容太浅显，一本也不中意。于是，两位神父就自己动手去翻书架。
一位神父从书架上取下一本不太知名的书，漫不经心地上下翻动着书面。哥白尼走到他的身后，看着他手上翻动的书页。突然，书上的内容吸引了哥白尼，哥白尼一把从神父的手中抢过那本书。他瞪大了眼睛，反复叨念着书中那些难懂的字眼，他看了一会儿，“啊”地一声把书合上，高兴得手舞足蹈，仿佛是哥伦布发现了新大陆，心胸豁然开朗。他转过身去，如获至宝地向箭楼奔去。正是这本不太知名的书，帮助哥白尼准确弄清了埃及古代历法上12个月份的名字。
太阳还没有升起，可是，空气里却已经弥漫着破晓时的寒气。草上也已经落满了露水。早起的云雀在那半明半暗的云空中高啭着歌喉，而在遥远的天际，则有着一颗巨大的也是最后的星辰正凝视着大地，犹如一只明亮的眼睛。
当弗隆堡响起晨祷的钟声的时候，哥白尼便又坐到了他的桌子前，开始了新的一天的工作。此时，哥白尼的心情无比激动，他拿起笔来，用非常精美的文字写道：“宇宙的中央就是太阳，在这华美的殿堂里，为了能同时照亮一切，我们还能把这个发光体放到更好的位置上吗；太阳堪称为宇宙之灯，宇宙之头脑，宇宙之主宰……于是，太阳坐在王位上统率着围绕它旋转的行星家族。地球有一个侍从——月亮。正如亚里士多德在《博物志》中所说，当地球从太阳那里受孕和怀胎，以使每年生育一次的时候，月亮是地球最亲的亲人。”多么美妙的语言，简直就是一首优美的散文诗。哥白尼就是用他满腔的激情和全部的心血去谱写他的举世力作——《天体运行论》的，从而也使哥白尼自己成为一个大写的“人”！
1532年初春的一天，弗隆堡披上了繁花似锦的新装，哥白尼的箭楼也像喜事临门似的，焕发着自豪和喜悦的光辉。傍晚，箭楼里有个体态丰盈的中年妇女，笑哈哈地推开了面对着大海的窗户。太阳偏西了，西方的天空，渲染了一片红霞。近处，是杏黄色衬托着蓝色的高空。在云块的空隙处，露出蓝色的线条，极其鲜艳。望着这美丽的景色，中年妇女的心情显得特别好。她转过身来，吩咐老仆人雪布尔斯基，让他叫厨房里的师傅们办一桌丰盛的筵席，并请他分头派人通知哥白尼的几位最要好的朋友到箭楼来。
这位出身名门、性情贤淑的中年妇女名叫安娜，从1525年起，她就来到箭楼担任管家。在与哥白尼的相处中，她衷心爱慕哥白尼，也十分敬佩哥白尼为科学而献身的精神，于是，她不顾家人的劝阻和反对，毅然抛弃世俗的成见，和被剥夺了结婚权利的哥白尼同居。从那以后，安娜和哥白尼同甘共苦，相濡以沫，成为哥白尼在科学研究事业上的得力助手。
客人们陆续到齐了。“一向都省吃俭用的哥白尼，今天为什么要破费呢？弄了这么好的一桌筵席要做什么？”大家一时都摸不着头脑。
待客人们入座后，只见安娜神色庄重地站起身来，脸上洋溢着幸福的光彩。大家见她转过身来，指了指哥白尼的书桌，人们跟随着她的目光，看到书桌上放着一叠收拾得整整齐齐的书稿。
“朋友们，”安娜激动的声音都有些颤抖了，“这么多年来，大家对哥白尼的期望总算没有落空，他的《天体运行论》的初稿今天刚刚完成，你们看，初稿上的最后一个标点的墨迹也许还没干呢。”
一阵充满喜悦的低语在客人们中间掠过，大家都不约而同地站起身来，纷纷举杯向哥白尼表示祝贺。这时，有人提议：“请哥白尼的妻子安娜女士给大家讲一讲著作的内容，让我们先听为快吧！”
这个建议马上得到大家的一致赞同。于是，安娜翻动着书稿，简要地介绍了《天体运行论》每一卷的提纲：
第一卷是宇宙论，共分四章，主要论述了太阳中心说的基本思想。第二卷是用三角学论证了天体运行的基本规律。第三卷至第六卷，根据太阳中心说的宇宙体系，以及观测所得的结果，用数学的方法，分别讨论了地球、月球、内行星和外行星的运行规律。
安娜介绍完《天体运行论》的主要内容后，哥白尼站起来对大家说道：“记得40年前在克拉科夫大学读书的时候，意大利著名的革命诗人卡里玛赫和我最亲爱的老师、著名的天文学家沃伊切赫教授都曾经问过我，什么是天文学的根本问题，当时我回答得并不完全。因此，40年来，我一直坚持探索天文学的根本问题，这个问题看起来很难，其实，也很简单。人类之所以把地球看作静止不动的中心，从科学的角度来说，是因为天体运动给人造成了一种幻觉，从而把真实的运动给掩蔽起来了。就拿太阳的升起和落下来说吧，太阳每天从东方升起，从西方降落，千秋万代，始终不变。这样，就使人们觉得地球是个中心，太阳是在绕着地球自西向东地旋转，其实这是个幻觉。而托勒密的错误也就在这里。托勒密由于没有区别现象与本质，而将假象视为真实。由于我们生活在地球上，所以很难感受到地球在永远不停地运动。这正如人们坐在船上，行驶当中，往往感觉到船没有动，而看到的是两岸的东西在向后移动一样。船似乎不动是假象，船向前进才是真实；太阳绕地球旋转是假象，地球绕太阳旋转才是真实的。这就是天文学的根本问题。”哥白尼停了一下，幽默地说道：“天体运动应该遵循同一的原理和假说，可是地心说却相反，一个星体有一套轨道，不能够和谐一致，他们就像这样一种艺术家：要画一个人，但从不同的模特儿那里临摹了手、脚、头和其他部分，然后不成比例地凑合在一起，尽管每个部分都画得很好，可是各部分不协调，结果画出来的不是一个人，而是一个怪物。”
哥白尼的精辟见解，使客人们眼界大开，从中增长了许多见识。
哥白尼的太阳中心说是和托勒密的地球中心说针锋相对的。因此，哥白尼虽然完成了太阳中心说的创立工作，但是他却没有立即把它发表出来。哥白尼知道，这个理论的发表必然会遭到教会和旧势力的反对。他在后来出版的《天体运行论》的序言中写道：“我知道，某些人听到我在《天体运行论》一书中提出地球运动的观点之后，就会大叫大嚷，当即把我轰下台来！”“我深深地意识到，由于人们因袭许多世纪以来的传统观念，对于地球居于宇宙中心静止不动的见解深信不疑，所以我把运动归于地球的想法肯定会被他们看成是荒唐的举动。”
哥白尼的担心不是没有理由的。因为宗教裁判所就设在罗马，处死“邪教徒”的火堆在熊熊燃烧。事实上，哥白尼自从研究天体运动以来，就一直受到教会的监视和迫害。面对这种情况，哥白尼踌躇了很长一段时间。这样，经历了30多年的犹豫之后，哥白尼终于鼓足了勇气，公开发表了他的太阳系学说。
1543年7月24日，当这部不朽的著作《天体运行论》出版时，哥白尼已经在久病的卧榻上奄奄一息了。此刻，他的眼睛也已经什么都看不见了。医生把书放在哥白尼的被子上，并把他的手放在书上，哥白尼用他那无力的手痉挛地抓住书本。一个小时后，这位伟大的天文学家就与世长辞了。
伟人虽去，精神永存。哥白尼对科学的卓越贡献是具有划时代意义的。他的太阳中心说，开辟了人类认识自然界运动规律的道路，为科学的宇宙观的形成奠定了基础。他那“人的天职在勇于探索真理”的名言，将永远激励着后人执著地追求真理，在探索真理的道路上披荆斩棘，勇往直前。
