日心说
在中世纪的欧洲，托勒密的地心说一直占有统治性的地位。因为地心说符合神权统治理论的需要，它与基督教会所渲染的“上帝创造了人，并把人置于宇宙中心”的说法不谋而合。在当时，如果有谁怀疑地心说，那就是亵渎神灵，大逆不道，要受到严厉制裁。这种状况一直持续到哥白尼的时代。
哥白尼对天文学一直有着浓厚的兴趣，他广泛涉猎古代天文学书籍，很早就开始用仪器从事天文观测。在意大利帕多瓦大学留学时，该校的天文学教授诺法拉对地心说表示怀疑，认为宇宙结构可以通过更简单的图式表现出来。在他的思想熏陶下，哥白尼萌发了关于地球自转和地球及行星围绕太阳公转的见解。
回到波兰后，哥白尼继续进行长期天象观测和研究，更进一步认定太阳是宇宙的中心。因为行星的顺行逆行，是地球和其他行星绕太阳公转的周期不同造成的假象，表面上看起来好像太阳在绕地球转，实际上则是地球和其他行星一起，在绕太阳旋转。
长期的观察和大量数据的积累，终于让哥白尼创立了以太阳为中心的日心说。为避免教会的迫害，起初，他只是将自己的主要观点写成一篇《浅说》，抄赠给一些朋友。但是在探索真理的强烈冲动下，哥白尼还是决心将自己的心血公之于众。
1543年，这部6卷本的科学巨著《天体运行论》几经周折，终于艰难地面世了。此刻，哥白尼的生命也走到了尽头。他在临终前一个小时才看到这本还散发着油墨清香的著作，他颤抖的手摩挲着书页，溘然长逝。
《天体运行论》完整地提出了日心说理论。这个理论体系认为，太阳是行星系统的中心，一切行星都绕太阳旋转。地球也是一颗行星，它一面像陀螺一样自转，一面又和其他行星一样围绕太阳转动。
日心说把地球从宇宙中心驱逐出去，显然违背了基督教义，为教会势力所不容。
为了捍卫这一学说，不少志士仁人与黑暗的神权统治势力进行了前仆后继的斗争，付出了血的代价。开普勒、牛顿等自然科学家，都为这场斗争作出过重要贡献。
行星运动三大定律
早期的开普勒深受柏拉图和毕达哥拉斯神秘主义宇宙结构论的影响，以数学的和谐性去探索宇宙。他用古希腊人已经发现的五个正多面体，跟当时已知的六颗行星的轨道相结合，从而解释了太阳系中包括地球在内恰好有六颗行星以及它们的轨道大小的原因。他把这些结论整理成书发表，定名为《宇宙的秘密》。这个设想虽然带有浓重的神秘主义色彩，但却也是一个大胆的探索。后来，开普勒在伽利略的影响下，通过对行星运动的深入研究，抛弃了柏拉图和毕达哥拉斯的学说，逐步走上真理和科学的轨道。
对火星轨道的研究是开普勒重新研究天体运动的起点。因为在第谷遗留下来的数据资料中，火星的资料是最丰富的，而哥白尼的理论在火星轨道上的偏差最大。
起初，开普勒的研究局限在第谷遗留下来的观测资料中，传统观念认为，行星作匀速圆周运动。但是经过反复推算发现，对火星来说，无论按哥白尼的方法，还是按托勒密或第谷的方法，都不能算出同第谷的观测相合的结果。虽然黄经误差最大只有8′但是他坚信观测的结果。于是他想到，火星可能不是作匀速圆周运动的。他改用各种不同的几何曲线来表示火星的运动轨迹，终于发现了“行星沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳处于焦点之一的位置”这一定律。这个发现把哥白尼学说向前推进了一大步。
接着他又发现，火星运行速度虽不均匀（最快时在近日点，最慢时在远日点），但从任何一点开始，在单位时间内，向径扫过的面积却是不变的。这样，就得出了关于行星运动的第二条定律：“行星的向径，在相等时间内扫过相等的面积。”开普勒还指出，这两条定律也适用于其他行星和月球的运动。
经过长期繁复的计算和无数次失败，1612年，开普勒终于发现了行星运动的第三条定律：“行星公转周期的平方等于轨道半长轴的立方。”这一结果发表在1619年出版的《宇宙和谐论》中。
开普勒的行星运动三定律首次定量地揭示了行星运动速度变化和轨道的关系，而运动速度变化又直接和作用力相联系。这个重大发现奠定了天体力学的基础，并导致了数十年后万有引力定律的发现。开普勒也因此得到了“天空立法者”的美誉。
星云假说
至哥白尼创立日心体系，他的后继者开普勒发现行星运动定律；继而牛顿以他的运动定律和万有引力定律，成功地解释了行星运动的物理原因。太阳系的结构完全搞清楚了，人们很自然地就会对太阳系的起源产生兴趣。
关于这个理论的探索，虽然已有200余年历史，但基本上还只是一些揣测的看法。没有人能目睹行星的形成，太阳系的起源至今仍停留在假说的阶段。人们根据太阳系的现状及特征，设想着它的形成过程。
天文学家通过对太阳系的整个图像的研究，发现了太阳系整个结构中某些统一的特征，诸如：共面性、同向性、近圆性等。根据这些特征，天文学上最合理的推测是，行星系统是由同一薄层物质所形成的。
据此，1755年，德国哲学家康德出版了《宇宙发展史概论》一书，这本书中首次提出了太阳系起源的星云假说，康德用牛顿的万有引力原理解释了太阳系起源及初始运动问题。
康德星云假说的基本论点是：太阳系是由弥漫星云物质，大团的气体和尘埃演化而来，并且形成太阳系的动力是各部分星云之间相互吸引的力量。因此，那些组成星云的粒子在引力的作用下凝聚成粒子团；随着粒子的碰撞和排斥又使粒子团按一定方向旋转和运动起来，这样，在中心形成了太阳，周围粒子团则聚集为行星，在太阳的引力作用下按椭圆轨道围绕它旋转起来。康德的星云假说提出后并未立即引起人们的注意。
1796年，法国科学家拉普拉斯在他的《宇宙体系论》中独立地提出了与康德类似的另外一个星云假说，使得太阳系起源与演化的研究受到了更多的重视。拉普拉斯与康德的观点基本一致，只是拉普拉斯的假说在细节上作了很多动力学方面的解释，与康德的假说相比，论证更严密、更合理、更完善。因此，人们把他们俩人的假说合称为康德——拉普拉斯星云假说。
哈雷彗星
哈雷最广为人知的贡献就是他对那颗后来用他名字命名的彗星的准确预言。其实，哈雷彗星本来也应带上牛顿的名字。因为没有牛顿，哈雷是永远也不会有这一重要发现的。
17世纪初，牛顿开始把他的万有引力理论应用于天体研究，以确定行星、卫星以及彗星的运动。牛顿的挚友和同事埃德蒙·哈雷，对他的计算结果产生了极大的兴趣，于是，他在1684年拜访了牛顿，并且与他展开了激烈的讨论。
后来，哈雷在整理彗星观测记录的过程中，发现1682年出现的一颗彗星的轨道根数，与1607年开普勒观测的和1531年阿皮延观测的彗星轨道根数相近，出现的时间间隔都是75年或76年。
哈雷运用牛顿万有引力定律反复推算，得出结论认为，这三次出现的彗星，并不是三颗不同的彗星，而是同一颗彗星的三次出现。哈雷以此为据，预言这颗彗星将于1759年再次出现。16年后，哈雷还未能证实他的预测便去世了，但是这颗彗星的确再次出现了。
1759年3月，全世界的天文台都在等待哈雷预言的这颗彗星。3月13日，这颗明亮的彗星拖着长长的尾巴，出现在星空中。根据哈雷的计算，预测这颗彗星将于1835年和1910年再次回来，结果，这颗彗星都如期而至。为了纪念哈雷，人们就把他发现的这颗彗星以他的名字命名，这也就是今天人人所知的哈雷彗星。
天王星
1781年3月13日深夜，赫歇尔和往常一样，将自制的望远镜架在楼顶的平台上，指向预定目标——双子星座。突然，视场内出现了一个略显暗绿色的光点。凝神一看，似乎又是一个极小的圆面。赫歇尔心中不禁怦然一动，敏锐的他马上意识到：这绝不是恒星！他换上了倍数更大的目镜观察，结果发现这个圆面又大了不少。
据此，他马上断定，所看到的天体一定是太阳系中的。对于恒星而言，不管多大的望远镜，也不可能把它放大成圆面（只能使星点更亮些）。第二天夜晚，他又把望远镜对准了这个目标，这个圆面的位置已经稍稍变动了些。连续数日的观测使他肯定了自己的判断。
为了慎重起见，4月26日，他还是先把它当做彗星，写了一份名为《一颗彗星的报告》呈给英国皇家学院。赫歇尔在报告中指出，这颗闯入镜头的“新客”是一颗无尾彗星。他企图用抛物线以及用极长的椭圆去表示新星的轨道，始终没有成功。他后来发现这颗新星的轨道接近圆形，并算出它的半径等于19个天文单位。至此，真相大白。威廉·赫歇尔发现的是太阳系中的新行星。
赫歇尔公布了这一发现后，科学界几经迟疑，终于承认了这是一个新发现的行星。在此以前，长期以来人们公认土星是太阳系的边缘，现在被确定为行星的天王星所代替。要打破这一边界可不是件容易事情。赫歇尔的发现引起了非常大的轰动。
赫歇尔建议把他发现的这颗行星叫做乔治星，以纪念他的资助者——当时的英国国王乔治三世。这个提议遭到了其他天文学家的反对，他们建议用赫歇尔的名字命名。在激烈的争论之后，大家一致同意依照行星命名的惯例，用希腊神话中的人物之名来命名这颗新发现的行星。
为保持一致，由波德首先提出把它称为乌拉诺斯（Ura-nus）（天王星），因为在神话中天王是Sarurn（土星）的父亲。这样就使得Jupiter（木星）、Saturn（土星）和Uranus（天王星）子、父、祖父三代并列于太阳系中。但这样的提法直到1850年才开始广泛使用。一些科学家仍然把这颗星叫做赫歇尔，以纪念它的发现者。在相当长的时间内，天王星和赫歇尔两个名字并存。
海王星
天王星被发现之后，为确定其轨道，天文学家对其位置作了数年之久的观测，以确定其瞬时位置和运动速度。牛顿的运动定律和万有引力定律准确描述了行星的绕日运动，因此用它便可预报行星和彗星的位置，只要它们的轨道数据是已知的。然而天王星的运动却出乎所料。
天王星的反常运行引起了天文学界的注意。有人怀疑万有引力定律对于那些远离地球的天体也许并不可靠。另一些人则提出，在天王星之外可能还有一颗未知的行星。而验证后一种揣测唯一的办法，就是运用天体力学将造成天王星摄动的新行星算出来。
最先从事这一工作的是英国的青年天文学家亚当斯。在剑桥大学读书时，他就开始研究天王星的运行问题。亚当斯利用课余时间进行了大量计算，并在大学毕业那一年得出了一个计算结果。大学毕业后，他成为剑桥的研究生，这期间亚当斯继续改进他的计算结果，于1845年得出了新行星轨道的一个令人满意的计算结果。
论文写好后，亚当斯来到伦敦求见皇家天文学家艾里，希望他能帮助确认这颗新行星。艾里拒绝见这位年仅26岁的无名小辈，亚当斯只得将自己的论文写成了一篇摘要，请人转交给艾里。
之后，亚当斯又求助于剑桥大学天文台。当时的天文台台长沙利愿意试一试，但他拖拖拉拉，直到1846年7月才开始进行观测，而且由于他手头没有该天区完备的星图，虽然两次看到了这颗新行星也未能认出来。
就在亚当斯计算新行星轨道的同时，法国天文学家勒维烈也在进行同样的工作。
1846年8月31日，他完成了对新行星轨道和大小的计算，写出了“论使天王星运行失常的行星，它的质量、轨道和现在位置的决定”，其结论与亚当斯基本相同。