在16世纪，哥白尼进行了一场天文革命，天文学逐渐摆脱了宗教的束缚，开始形成一门独立的科学。天文学从单纯描述天体位置和运动的古典方位天文学、天体测量学向着寻求这种机械运动的内在规律及其力学原因的天体力学发展。
中世纪的天文学发展黯淡，在经历了中世纪的黑夜之后，天文学在欧洲以意想不到的力量重新兴起，并且以神奇的速度发展起来。从十字军远征以来，由中世纪市民等级所创立的工业生产和商业获得了巨大的发展，商品经济的发展导致远洋航行的发达。为了走得更远，人们迫切需要天文仪器，需要精密的恒星、行星的星表，当然也需要发明测定经纬度的方法，这种种需求为天文学的发展提供了巨大的推动力。冶金、机械制造等生产部门的发展，印刷术的传播，则为天文学的发展提供了物质条件。
生产力在不断向前发展，资本主义生产关系在欧洲封建社会内部逐渐形成和发展起来，和资产阶级的经济、政治利益相适应，14～15世纪以来，欧洲文化上也出现了新的运动，这场运动的主要内容就是人文主义思想：反对中世纪的神学世界观，摆脱教会对人们的思想束缚，冲破各种神学的或经院哲学的传统教条。这个以文艺复兴为名的运动开创了欧洲文化和思想发展的一个重要时期。
亚里士多德与托勒密的地心体系成为中世纪神学世界观的一个支柱，天文学的发展却让这个地心体系越来越难以维持，于是，天文学就成为冲破神学束缚的一个突破口。文艺复兴的思想解放运动为打破地心体系提供了思想动力和精神基础，而这个体系的打破又给予宗教神学以沉重的打击，使文艺复兴运动更加气势磅礴。天文学首先进入近代科学的大门。
文艺复兴时期，许多进步思想家和天文学家对破绽百出的地心体系表示怀疑，但是，真正打破这个体系的是16世纪伟大的波兰天文学家——哥白尼。
哥白尼在托勒密体系的基础上，经过几十年的研究，建立起一个崭新的宇宙体系：地球是一颗行星，和别的行星一样，都在同心圆周上围绕太阳运行。行星排列的次序为水星、金星、地球、火星、木星、土星。月球围绕地球运行，同时也被地球带着围绕太阳运行，恒星则在遥远的空间里。这是一个简单而又全面的发现，它使人们对于宇宙的看法从主观的、神秘的、原始的见解进步到近代的、客观的、合理的见解。这个体系引起一系列思想上的革命，人们从此摆脱了对神学和古代经典的权威的迷信，懂得以事实作为知识的来源，靠实践判断理论的真伪。哥白尼论述日心体系的《天体运行论》一书，被恩格斯誉为“自然科学的独立宣言”。
第谷是丹麦著名的天文学家，他的工作对哥白尼日心体系的巩固和发展起了很大作用。
第谷受到丹麦国王的资助，修建了一座华丽的天文台，他和一群助手在那里工作了20多年。
经过长期的观测，第谷提出了一种折中的宇宙体系——行星绕太阳运动，太阳绕地球运动，但这个体系在欧洲没有发生什么作用。第谷的主要功绩在于制造仪器和观测。他认为，只有依靠大量的精密观测记录，才能够创立正确的行星理论，并计算出可靠的行星表。因此他特别勤恳地观测太阳、月球和行星的方位，并做出精确的记录。第谷在逝世前，将珍贵的观测记录赠给了他的助手开普勒。
开普勒是哥白尼派的信徒，他发现对于火星运动来说，不论按哥白尼体系或托勒密体系以及第谷设想的折中体系，都不能得到和第谷的观测吻合的结果。他在分析了哥白尼体系和托勒密体系以后，发现两者有一个共同点，那就是二者都认为天体是沿圆周做匀速运动的。
开普勒感觉到，可能正是这一点有问题，于是他为火星设想了种种轨道曲线。经过了10多年的辛勤劳动，进行了无数的尝试和复杂的计算，开普勒终于在1609年和1619年分别发表对所有行星运动都适用的三条定律，从而对哥白尼学说做了第一次重大的发展。
与开普勒同时代的伽利略是意大利天文学家。1609年，伽利略听说荷兰人发明了望远镜，便独立地研究制造出放大倍数愈来愈大的天文望远镜。1610年，伽利略开始用望远镜观察天体，随即发现一些天象，这使他更加相信哥白尼理论的正确性。因此，他便愈来愈热烈地宣传哥白尼的体系。
在中世纪，凡是不符合教会思想而想另有作为的人都会遭到迫害。意大利思想家布鲁诺就是因为相信和宣扬哥白尼体系，攻击亚里士多德的哲学，批判罗马教会的腐朽制度被处火刑烧死。
1616年，伽利略的对手从他的一本书中摘出他叙述哥白尼理论的一段话，向宗教法庭提出控告。法庭宣判说：“太阳居于宇宙中心的思想是一种邪说，不把地球放在宇宙中心，而认为其在运动，虽非邪说，却是理论。”伽利略因此受到宗教法庭警告，以后不许再推崇“地动说”，哥白尼所著《天体运行论》被列为禁书。
暴风雨过后不久，为维护哥白尼的学说，伽利略又写了一部书：《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。这部书于1632年出版后，立刻遭到教士们的攻击，并向教会法庭的异端裁判所提出控诉，于是这部书被列为禁书，伽利略也被召到罗马受宗教法庭的审判。1633年，他被判处终身监禁。伽利略后来被保释，改判为“居家监视”，这位70高龄的老人仍然继续进行研究，直到1642年逝世。
伽利略去世的那一年，英国诞生了一位伟大的科学家——牛顿。牛顿在大学求学时就已经接受了哥白尼的理论，并深深体会到开普勒和伽利略的工作意义。在开普勒和伽利略、惠更斯等人工作的基础上，牛顿发现了万有引力定律。
在发现了万有引力定律之后，牛顿写成了不朽的巨著《自然哲学的数学原理》。这部书奠定了近代力学的基础，并表明哥白尼的日心体系是一个巨大的机械结构。牛顿证明天体循一定轨道运动的因素是引力，并从引力定律出发，将2000年间的观测贯穿起来一并加以说明。牛顿的理论成功地摧毁了日心说。从18世纪初，西方各大学开始讲授牛顿和哥白尼的哲学。
除上述人物外，还有很多天文学家也对哥白尼学说的胜利和天文学的发展做出过贡献：赫维留是波兰业余天文学家，他在自己住宅的屋顶上建立了一座天文台，曾对太阳黑子做过观测，因而定出相当准确的太阳自转周期。他提出的光斑一词一直沿用至今，他于1647年发表第一幅比较详细的月面图，于1701年出版了赫维留星表。
荷兰天文学家惠更斯闻名世界。他发现了土星的光环和第一颗卫星；他的关于向心力的工作对牛顿万有引力的发现起了重要的作用；他创造的天文摆钟、复合目镜等对天文仪器的进展有重要意义；他还阐明了布鲁诺提出的恒星都是宇宙里的太阳的正确主张。
法国天文学家卡西尼虽然排斥哥白尼学说，但是他致力于行星的卫星观测并取得了丰硕的成果。他发现了土星的4个卫星和土星光环中的暗缝；他刊发了第一份木星卫星历表，为在海上测定经度的工作提供了重要条件。
罗默是丹麦天文学家，他在巴黎天文台工作期间，通过对木卫掩食的研究发现光速的有限性，并首次测得光速值。在这个基础上，布拉得雷才发现了光行差，从而为日心说提供了有力的证明。