在天堡和星堡中，第谷装备了十多种古代天文仪器，如方位仪、纪限仪、三角仪、象限仪、墙式象限仪、赤道浑仪、大浑仪、天球仪等。这些仪器都是由第谷亲自设计，由工匠们就地制造的。第谷的仪器制造和安装的精度很高，其尺度也往往较大，其中尺度最大的是巨型墙式象限仪和大浑仪。巨型墙式象限仪依附在正南北取向的墙上，故称墙式象限仪，它的主体是一个半径1.8米的刻度精细的铜圆弧，圆弧上装有一个观测天体的瞄准器。南侧一堵东西方向的墙的上端有一观测孔，瞄准器正是透过这一观测孔观测天体的。铜圆弧的内侧是一幅巨大的绘有第谷像的壁画，壁画中第谷的手正指向观测孔。铜圆弧的前方几位观测者正在进行观测和记录。墙式象限仪可以用来测定天体的地平高度以及天体过子午圈的时刻。大浑仪的结构十分独特。它是在北高南低的两基座之上安装了一根与地球自转轴相平行的极轴，直径约3米的大赤经圈装在该极轴上并能绕极轴旋转。从赤经圈中心向外对称地装有两个可沿赤经圈移动的瞄准器。先用其中之一瞄准天体，从赤经圈上读得天体的赤纬值，然后把赤经圈反转180°再瞄准同一天体，也读得其赤纬值，取两次观测的平均值作为天体赤纬观测的最后结果。这种方法可消除许多测量误差，大大提高测量精度。在大赤经圈的下侧有一个半圆弧状的环圈，大赤经圈上的瞄准器对准所观测的天体时，也可同时读出大赤经圈相对于此环圈的坐标位置，用它可以推算出天体的赤经值。
为提高仪器的观测精度，他还十分注意度盘刻度的划分，提出了著名的横断点分弧法，他将度盘中的1°分为6等分，每等分又在横向斜刻了10个点，这样1°内就有60个点，从而使刻度精确到1′。
第谷有一批训练有素的助手，最多时达到40人，其中著名的有朗格蒙太努、威蒂等。朗格蒙太努是一位穷苦农民的儿子，他不愿像父亲一样一辈子种地，15岁进一所中等学校读书，16世纪80年代初考入哥本哈根大学，很可能由于经济上原因，只读了一年便辍学到天堡当助手，此后一直和第谷在一起，直到1597年两人都离开了汶岛。威蒂在1580年前后在汶岛当第谷的助手，1584年到达卡塞尔在威廉四世伯爵处当助手，他曾向这位伯爵详细描绘过第谷的仪器，并介绍了第谷的“横断点分弧法”。伯爵听了非常心动，以致于他专门聘请了一位仪器制造匠，按照威蒂所描绘的图样来改进自己的仪器。第谷对自己的所有助手要求都十分严格，要求他们一丝不苟地进行天文观测，准确地记下每个观测数据。
由于拥有举世无双的仪器以及具有高超的观测技术，因此第谷和他的助手们的观测精度在望远镜问世以前是首屈一指的，所测天体位置的误差已小于2′，几乎已达到肉眼观测所能获的精度极限。
第谷到达汶岛一年多后，就碰上了一次罕见天象——1577年大彗星。第谷首次见到它是在这年11月13日傍晚，从这日起直到翌年1月26日，他一直对它进行了认真、仔细的观测。那时，天堡中几架大型仪器还未建成，他用当时已建成的几架尺寸较小的仪器进行了观测，测定它的坐标位置，研究是否随着天穹的旋转而存在视差位移，他得出结论，该彗星离地球的距离至少为月亮与地球距离的三倍。公元前4世纪，古希腊著名哲学家亚里士多德曾提出，彗星是地球大气中的产物，这种见解直到第谷时代还有很多信奉者。第谷对彗星距离的测定有力地否定了这种错误见解。亚里士多德还提出了一种多重天球层的宇宙理论，这些天球层是一系列以地球为中心的同心球，它们以不同的速度绕地球旋转，由于它们像水晶一样透明，所以不为人们所见，太阳、月亮以及诸行星分别位于这一系列天球层的某几层上，它们的视运动正是这一系列天球层组合运动的产物。第谷发现1577年大彗星实际上在离地球好多倍月地距离处绕着太阳运转，它在运动过程中轻易地穿越了亚里士多德的一个个天球层而未受到任何阻碍，这表明亚里士多德所提出的这种天球层根本不存在。第谷指出，亚里士多德的许多见解来自于思辩，而不是来自于实际的天文观测。
在汶岛，第谷后来还观测了1580年、1582年、1585年和1590年出现的几颗肉眼可见的彗星，但1577年大彗星无疑是他观测最深入、获得成果最多的一颗彗星，甚至十一年之后，在他1588年出版的拉丁文著作《最新天象一览》中，还对该彗星作了专门论述。
第谷精确测定了大量恒星的位置，编制出版了一部列有777颗恒星坐标的星表。该星表的精度远高于古希腊的依巴谷星表和中世纪阿拉伯世界的乌鲁伯格星表，已达到了望远镜问世前凭借古代天文仪器观测所能达到的精度极限。
第谷在汶岛最宝贵的天文观测资料是有关行星方面的，他和他的助手们坚持年复一年地测定各颗行星的视位置和它们在天球上的视运动，积累了大量行星运动的宝贵观测资料，正是这些资料为开普勒建立行星运动三定律准备了条件。
第谷不仅精于天文观测，而且也在考虑宇宙体系这个大问题。他对哥白尼的日心宇宙体系有清晰的了解，曾钦佩地写道：“哥白尼把我们从过去数学家所陷入的矛盾里解放出来，而且他的理论与实际天象更相吻合。”但他又惋惜这一体系无法与上帝创世、人类中心的宗教观念相调和。他还试图去实测恒星的视差位移——如果地球真的在绕着太阳公转，在半年中它从绕太阳公转轨道的一端走到另一端，恒星就应该出现视差位移。但他经过仔细测量，却没有测到任何一颗恒星存在着这样的视差位移。于是他认为哥白尼主张的地球绕太阳转动的理论与实际天文观测并不符合。最后他提出了一个介于哥白尼日心体系和托勒玫地心体系之间的折衷体系——第谷宇宙体系。这一体系认为五大行星绕太阳运行，太阳带着它们绕在宇宙中心静止不动的地球转动，最外层的恒星天每天绕地球转动一周。这一体系完成于1582年，起初第谷只是把它画在星堡顶楼的天花板上。1588年，在他出版的拉丁文著作《最新天象一览》中正式公布了这一体系。在该书中，第谷还认为彗星也像行星一样，它也在围绕太阳的近圆轨道上运转。
第谷在汶岛生活得十分快乐，周围是他的亲人、助手和心爱的仪器。晴夜，几乎每一架重要仪器都有人值班观测，第谷不时巡查，偶尔给他的助手们一些指导，各种天文观测资料日积月累，不断增加。白天，一批批达官贵人不时前去访问，其中有公爵、伯爵、大臣甚至王后。第谷为他们举行豪华的宴会，组织游猎和竞赛。在宴会上，第谷的腿上常常坐着一个据说具有心灵感应奇异功能的侏儒，只要第谷稍加暗示，他就为客人们作即兴表演，供来访的贵宾们取乐消遣。
1588年，丹麦国王腓特烈二世驾崩，枢密院选出四位摄政大臣掌握国家大权，辅佐登基的年方11岁的幼君克里斯琴。摄政大臣中有第谷的好友，因此第谷仍能继续领取优厚的津贴，继续过着令人羡慕的生活。
然而，这种舒心的生活暗暗潜伏着危机。居住在汶岛上的农民都是第谷的佃户，他们每星期得为第谷白干两天体力活，违抗者往往会被第谷关进天堡的地下室忍饥挨饿，直到第谷的妻子偷偷把他们放走为止。在新国王即将成年之际，有一次第谷和他的一个佃户发生了矛盾，第谷甚至给这个佃户带上镣铐。事情闹到丹麦最高法院，尽管最高法院出面干预，但第谷却继续折磨这个可怜的人。设在汶岛的一座教堂归第谷所有，第谷一直享用教堂的收益但却不顾别人的提醒忽视对教堂的维修。第谷每年从王室领取的巨额津贴也遭到其他贵族的妒嫉，于是他们常常将上面这类事情添油加醋地禀告新国王。这位新国王也许不像他父亲那样支持科学事业，他可能认为给汶岛的巨额津贴是不必要的浪费，也许他对第谷折磨佃户的事件深感恼火，认为这是对标榜爱护所有国民的他的一种挑战，因此他要想使第谷知道谁是汶岛的真正主人。总之，当1597年国王20岁、摄政时期宣告结束时，开始独掌大权的新国王便立即大大削减每年给第谷的津贴，使汶岛天文台的经费处于入不敷出的境地。第谷对此满腹愤恨，他遣散了助手，结束了他在汶岛持续21年之久的天文观测，离开汶岛远走他乡。
慧眼识人
第谷在哥本哈根小住一段时间后，离开丹麦来到德国的罗斯托克，他在那里给丹麦国王克里斯琴写了一封信。信上说如果给汶岛天文台的津贴能够恢复，对他的工作能有正确的评价，他依然可以回到汶岛继续他的工作。当这封信送抵丹麦国王手中时，这位国王正在为第谷的突然出走深感愤怒，读了这封信更认为第谷是在对他进行要挟，于是给第谷回复了一封充满谴辞的信。信中说第谷首先应该回国，然后才有可能考虑恢复部分津贴的问题。第谷深感与丹麦皇廷的关系已经搞僵，以往在汶岛的那种黄金岁月再也不会重现了，于是决定不再回丹麦。他又到了德国汉堡附近的万茨贝克，在那里作了一些天文观测，撰写了《天文仪器的结构》一书，并在1598年出版。该书中描述了他自己的各种仪器及使用方法，并附有自传和自己所作的天文发现。他把此书寄给许多人，其中一本送到了波希米亚和匈牙利的国王鲁道夫二世手中。鲁道夫二世以科学事业的捐助人著称，他对第谷出色的天文工作早有所闻，读了这本书更加深了印象，再加上第谷的一些贵族朋友向他游说，于是他决定资助第谷。
1599年6月，第谷应鲁道夫二世之请来到布拉格，鲁道夫皇帝聘他任御前天文学家，年薪3000弗罗林，这是一笔相当可观的巨款。第谷后来给自己的密友、少年时代的家庭教师维德尔的信中说，他的年薪比宫廷中任何一位大臣都高。鲁道夫二世还让第谷在布拉格近郊挑选一个城堡，以便开展天文观测和研究。第谷选择了布拉格以北约30公里的贝纳特基城堡，他带家眷来到那里，一些随身带的仪器立即安装了起来，并立即派人用船搬运汶岛天文台的某些其他仪器，这些仪器于翌年到达贝纳特基城堡。
第谷初步安顿下来以后，就给原先的一些助手发信，请他们前来工作，但只有朗格蒙太努等很少几人接受了这一邀请。正当第谷感到缺乏助手的时候，他收到了在格拉茨的青年数学家开普勒的一封来信，问是否可以前往查阅第谷的观测资料。第谷虽然并不认识开普勒，但几年前曾收到过后者敬赠的著作《宇宙的神秘》。在开普勒这部处女作中，提出了一种构思奇特的理论，认为太阳位于宇宙中心，包括地球在内的六大行星则位于太阳为中心的各个天球上，在这些行星天球之间，分别存在着五种正多面体（正四面体、正立方体、正八面体、正十二面体和正二十面体），而且每一正多面体与其内的那个行星的所在天球相切，而与其外的那个行星的所在天球相接，这样六大行星之间正好被五种正多面体所填满。十分有趣的是，经开普勒精心排列自内向外的五种正多面体的次序之后，由该图像所给出的各行星到太阳的距离之比，竟与哥白尼所给出的诸行星到太阳的距离之比相当吻合。即使在现在，不少人也会将此图像评价为一种高超的数学游戏。当时第谷读了这本书后，虽然不赞成这一图像，但却对开普勒的数学才华十分钦佩。因此，当他得知开普勒即将来拜访自己时，感到十分高兴。他赶紧给开普勒回复了一封热情洋溢的信：“来吧，不是作为一个陌生人，而是作为一个深受欢迎的朋友，像我和我的亲密的同事一样，来共享我的仪器所获得的观测资料吧。”1600年2月3日，开普勒来到贝纳特基城堡拜见第谷。
这以后，开普勒在第谷处工作了四个月之久。应第谷的要求，开普勒应用第谷的观测资料研究火星的运动。第谷与开普勒两人除了都热爱他们毕生的事业之外，在所有的事情上都正好对立：第谷已届中年，正处在事业的顶峰，拥有财富、名誉，并且是个贵族；开普勒初出茅庐，年轻、贫穷、鲜为人知，而且是个平民。于是两人间产生了许多摩擦。由于鲁道夫二世不愿意再雇用一位数学家，所以开普勒无法从皇廷获得工资收入，他的生活费用只能由第谷提供，这种经济上的依附关系，再加地位、名望、年龄上的悬殊，使他只能处于第谷的助手的地位，深知自己才华的开普勒对此深感不快。开普勒一度对第谷产生了误会，但心情暴躁的第谷慧眼识人，认识到开普勒是一位运用观测资料进行理论分析的最佳人选，因此，表现出了惊人的克制，他把开普勒对他的误会看成是耍小孩子脾气，宽容地进行了解释，这使开普勒颇感惭愧。
1600年初夏，开普勒离开第谷返回格拉茨，由于宗教信仰问题，他受尽迫害，陷入困境。当第谷得知这一情况后，再次诚恳地邀请开普勒前来工作，而且宽厚地答应开普勒的条件：开普勒为第谷进行理论研究，而第谷则供养开普勒全家的生活。