《天体运行论》这部巨著共分六卷：第一卷是宇宙论，论述了日心说的基本思想；第二卷全是数学公式，以三角学论证了天体运行的基本规律；第三卷用数学描述地球的运动；第四、第五、第六卷讨论了月亮和其他行星的运行规律。
在书中，哥白尼大胆地提出：“太阳是宇宙的中心，所有行星都围绕太阳运转；地球不是宇宙的中心，而是绕太阳运转的一颗普通行星。人们每天看到的太阳由东向西运行，是因为地球每昼夜自转一周的缘故，而不是太阳在移动。天上的星体的不断移动，是因为地球本身在转动，而不是星体围绕着静止的地球转动。火星、木星等行星在天空中有时顺行，有时逆行，是因为它们各依自己的轨道绕太阳转动，而不是因为他们行踪诡秘。月亮是地球的卫星，一个月绕地球转一周。”
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，并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。
哥白尼还在这本书中批判了托勒密地球是静止的理论。指出地球在运动时，人们之所以觉得是整个宇宙在转动，犹如人在行船上，不觉船动而觉得陆地和城市后退一样。地球不动是假象，地球绕太阳转动才是真实。
哥白尼创立的“太阳中心说”从根本上改变了旧的宇宙观，揭穿了宗教神学伪造的谎言，在科学发展史上具有划时代的意义，从此自然科学便从宗教神学中解放出来。韦达的故事
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