在科学发展的历史上，人们很早就已经开始探讨行星的运动问题，并形成了许多种学说，其中主要的是地球中心说（简称“地心说”）和太阳中心说（简称“日心说”）两种学说。开普勒终于在日心说的基础上发现了行星运动规律。
一、行星运动学说的建立与发展
1．地心说的雏形
古希腊学者亚里士多德首先就探讨地球、太阳及行星的运动问题提出了地球是宇宙中心的学说，这就是地心说的雏形。他认为地球是球形的，不完全是出于实际的观测，而是因为球形是最完美的图形，是唯一能在自身所占据的空间范围内作任何方向的旋转的图形。根据地心说的假设，亚里士多德进一步列举月食的成因，向北向南做微小的迁移所看到的天空变化等事实来反证地球是球形的。亚里士多德还运用他的运动学理论来论证地球的形状只能是球形，并估计了地球的大小，但这些论证和计算都带有很强的思辨成分，科学性不足。亚里士多德进一步主张，地球是横亘不动的宇宙中心。他的解释是，既然地球上所有的重物都要向地心下落，那么宇宙万物也应该朝宇宙的中心下落。如果地球不是宇宙的中心，那么地球就要向宇宙的中心运动了，那时候地球上的各种物体将如何运动就很难想像了，因此，他认定地球所在的位置必定是宇宙的中心。他还认为，既然地球处于宇宙的中心，地球必然是静止不动的，要符合这个要求，天体的自然运动必然是圆周运动。
为了“合理”地解释观测到的天体运行现象，亚里士多德以地球为中心，家法能够宇宙分为九个等距的层次，依次是月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星和恒星，第九层为一个原动天，是所有天体运动的第一推动力。从此处可以看出，亚里士多德在追求一种完美、和谐的理论。因为在他看来，宇宙应当是完美和谐的。他先从美的观点出发建立一个宇宙体系，然后再尽量用逻辑来证明。
2．日心说的初步形成
生活在亚历山大时代的天文学家阿利斯塔克（前310-前230年）曾被恩格斯称为“古代的哥白尼”。他认为恒星和太阳在宇宙中是不动的；地球则以太阳为中心作周围旋转。他还推算出太阳的体积大约是地球体积的250～370倍，是宇宙中的第一大天体。他认为，既然太阳在宇宙中是最大的天体，那么宇宙的中心只能是太阳，这就是提出太阳中心说的根据。但很遗憾，他的日心说思想并没有得到进一步的继承与发展。在阿利斯塔克那里，日心说只能是一种天才灵光一现，并没有能够成长成为一棵参天的大树。
除亚里士多德，阿利斯塔克职外，历史上还有很多学者，提出过各式各样的学说，大多都与太阳、地球相关。日地关系的各种可能都有人试探过、讨论过，但在争论中，没有那州理论占有国绝对优势。
3．地心说的建立与发展
古希腊天文学家托勒密一方面继承了亚里士多德的地心说，并把它加以发展和完善。和亚里士多德一样，托勒密也认为地球是宇宙的中心，所有的重物都朝着它运动。他还吸收了当时的一些新的思想，用圆周体系来代替了原有的天球层体系，从而有效地克服了亚里士多德体系所无法解决的一些困难，把地心说向前发展推进了一大步。托勒密极力主张地球是静止不动的，并从太阳的升落、物体的下落、天上的浮云的飘动、鸟的飞行等观察到的事实来证实他的地球静止的观点，还以此对阿利斯塔克的日心学说提出了批评。他提出本轮、均轮等重要概念来解释行星视运动的不规则性，使地心说具有更强的说服力与生命力。由于托勒密对地心说的发展与完善，再加上人们认识上的局限性，以及教会的大力支持，使地心说在天文学界统治了将近15个世纪。
4．日心说的确立
随着天文观测水平的不断发展，托勒密地心说的错误逐渐暴露出来，这从客观上要求用新的理论体系来代替它。16世纪中叶，当年阿利斯塔克种下的幼苗，终于在波兰天文学家哥白尼手中成长了起来，从而揭开了近代自然科学的序幕。
哥白尼对托勒密的地心说产生了怀疑从大学学习期间就开始了，他认为地球静止不动的观点是人们的一种偏见，人类总习惯于把自己看作是世界的中心，这是不能成立的。他认为，托勒密由于没有区别好什么是现象，什么是本质，误将假象视为真实。由于托勒密没能感觉到地球的自转，只能感觉到太阳每天从东方升起而在西方下落，以致认为太阳在绕着地球旋转。这与人们坐在大船上行驶时，而往往感觉不到船在运动，而只见到岸上的东西往后移动的现象是一样的。同样，太阳绕地球转也是一种假象，地球围绕太阳转才是真相。
为了彻底地弄清楚行星运动的本质问题，哥白尼在弗洛恩堡一所教堂的阁楼上对天象进行了足足三十年的艰苦观测。当时的天文观测条件是很差的，仪器简陋不说，再加上弗洛恩堡的纬度偏北，靠近海洋，受海洋风的影响，空气十分潮湿，能见度很低，要获得好的观测数据是十分困难的。而过去遗留下来的观测资料常常几经传抄，错误很多，有些数据甚至是为了迎合某个所谓的理论而伪造的。但是哥白尼终于通过三十年持之以恒的观测取得了可观的数据，为他创立日心说提供了比较丰富、可靠的观测资料。蕴藏着哥白尼一生心血的了初稿终于在1512年写成了，1543年，也就是哥白尼逝世之时，由那些初稿编辑而成的天文学的不朽巨著《天体运行论》终于出版了，这一科学巨著被恩格斯称为“自然科学的独立宣言”，“从此自然科学便开始从神学中解放出来……科学的发展从此便大踏步地前进。”
哥白尼在《天体运行论》中，明确地把地球从宇宙中心的位置排除出去，把它降为普通行星的一员。他认为，地球的自身有三种运动，一是自西向东绕轴昼夜自转，二是地球在金星与火星轨道间的黄道上从西向东运行，三是倾斜面的运动，即赤道面或自转轴相对于日——地联线的运动。哥白尼正是依据地球的这三种运动与各个天体固有的自身运动，简单而统一地解释了从地面上观察到的天体的周日旋转、太阳与月亮运动的快慢变化、五大行星运行中的逆行等复杂现象。这样哥白尼便创建了一个以太阳为中心的宇宙结构体系。
与托勒密的地心说相比，哥白尼的日心说更具有内在的简单性和和谐性，而且它表述了运动的相对性思想，这为理解行星的运动开辟了一条新的途径——动力学的途径。哥白尼的“日心地动”体系给了开普勒发现行星运动的真实规律很大的启发，也为牛顿力学的完成奠定了基础。
意大利哲学家布鲁诺就十分热情地支持和宣传哥白尼的日心，他也因此被教会烧死于罗马鲜花广场。在听到教会对他的判词后，布鲁诺说：“你们心中的恐惧比我听到判词还要高出百倍，我愿为殉道而死！”
二、观测资料的积累
丹麦天文学家第谷是近代天文学的奠基人之一，他的主要贡献在于对天文现象的观测。他早年对托勒密的著作进行过一些研究，同时进行了实际的天文观测。通过对行星在星系方位精确的观察和计算，他发现过去的天文观测资料是不够准确的，编出的星表也存在很多的误差。他认为，如果不精确地掌握恒星和行星的位置，人们就永远都无法知悉宇宙，为此他立志要向天体观测发展，取得有关行星运动的最准确资料，编出一个更加完善的星表来。
从1576年起，第谷对长时期从地球上能够看到的星体的视位置作了精确测定，并由此绘出了一幅星体确实位置的天体图。他几乎每天晚上都坚持精确的观测，并认真地进行记录。二十年如一日。当时还没有望远镜，第谷的观测全部是用肉眼进行的，他的观测几乎达到了肉眼观测的极限。为了不断提高观测的精确度，他还自行涉及了许多天文观测仪器，这些一起在当时是世界第一流的。他增加了仪器的尺寸，并把仪器加固在墙上，增加仪器的稳定性，为此，他还规定了各种仪器的误差范围，因此他二十年中所写下的一页页观测记录的准确性都相当高，在他二十年对行星角位置的观测数据中，没有一个误差超过半分，比哥白尼的数据精确了整整二十倍。
由于第谷所信奉的宇宙体系是介于托勒密地心说与哥白尼日心说之间的一种混合体系，而且他拙于数学，因此尽管他积累了大量精确的天文观测资料，也未能从大量宝贵的准确观测资料中得出应有的结论。正如开普勒所说：“他是个富翁，但他不知道怎样正确地使用这些财富。”