בעת שהותו באנגליה פרסם כמה מכתביו החשובים, בהם "הדיאלוגים האיטלקיים", שכללו את החיבורים הקוסמולוגיים "Cena de le Ceneri" (ארוחת הערב של יום רביעי של האפר 1584), בו הגן על תורתו של קופרניקוס, ו- "De l'Infinito Universo e Mondi" ("על היקום האינסופי והעולמות" 1584), בו טען כי הכוכבים, הנראים בשמים הם שמשות, היקום הוא אינסופי ומכיל עולמות רבים. כמו כן, הוא טען כי ישנם גזעים תבוניים רבים ביקום. הדיאלוגים היו כתובים כאלגוריה, ובהם האלים מחליטים לגרש את המזלות מהשמים ולהחליפם במידות הטובות - חוכמה, אמת וכדומה. בדיאלוגים הללו לעג ברונו לדת והציג את מעשי הנסים המתוארים בהן כטריקים דוגמת קסמי הבמה בתיאטרון. גישה זו רק הוסיפה לעוינות הכנסייה כלפיו.
בשנת 1585 חזר לפריז. בעקבות טענותיו נגד התפיסה המדעית של אריסטו, ופרסומיו נגד פבריציו מורדנטה, מתמטיקאי קתולי, סר חינו בעיני הבריות. בשנת 1586, לאחר מריבה אלימה על המצאתו של מורדנטה "המצפן הדיפרנציאלי", עזב את צרפת ועבר לגרמניה.
בגרמניה נכשל ברונו בניסיון לקבל משרת הוראה במרבורג, אך הורשה ללמד באוניברסיטת ויטנברג, שם לימד על אריסטו במשך שנתיים. לאחר ש"האקלים האינטלקטואלי" השתנה, הוא לא היה רצוי שם וב־1588 עבר לפראג, בה קיבל מהמלך רודולף השני סכום כסף, אך לא משרה. במשך זמן קצר היה פרופסור באוניברסיטת הלמשטדט בצפון גרמניה, אך גם משם נאלץ להימלט כאשר הוחרם על ידי הלותרנים.
בשנת 1591 שהה בפרנקפורט. ככל הנראה, במהלך יריד הספרים שם קיבל הזמנה לוונציה מאת ג'ובני מוֹצֶ'ניגוֹ, משליטי העיר, שביקש לפתח את זכרונו. כמו כן שמע על משרת הוראה למתמטיקה באוניברסיטת פדובה. לאחר מותו של האפיפיור השמרן סיקסטוס החמישי, חשב ברונו כי האינקויזיציה איבדה מכוחה, וכי שובו לאיטליה יהיה בטוח.
ברונו לימד זמן מה בפדובה, אולם כעבור כשנה נמסרה משרתו לגלילאו, והוא עבר לוונציה. במשך זמן מה לימד את ג'ובני מוצ'ניגו, אך הלה התאכזב ללמוד ממנו את מערכת הקיצורים במקום שיטות קסם. כאשר רצה ברונו לעזוב את ונציה, הסגיר אותו מוצ'ניגו לידי האינקויזיציה. הוא נעצר ב-22 במאי 1592 ונשלח להישפט ברומא בשנת 1593.
משפטו והוצאתו להורג.
ברונו נכלא במשך שש שנים לפני שנשפט. הוא ניסה לקבל מחילה מהאפיפיור קלמנס השמיני בתמורה להכחשה חלקית של טענותיו. במשפטו תבע האינקוויזיטור, הקרדינל רוברטו בלרמינו, הכחשה מלאה, לה סירב ברונו. ברונו הוכרז כופר והועלה על המוקד ב-17 בפברואר 1600 בקמפו די פיורי שברומא. האינקויזיציה גילתה רחמים כלפי ברונו וקשרה שקית אבק שרפה לצווארו בעלותו על המוקד, כדי לקצר את ייסוריו. עם זאת, לשונו מוסמרה ללסתו כדי למנוע ממנו להמשיך ולדבר.
על פי ההאשמות הרשמיות של האינקוויזיציה, הואשם ברונו בסוגים שונים של מינות, כגון דוקטיזם (אמונה בכך שלישו לא היה גוף פיזי ומה שנראה כך היה למעשה אשליה), כפירה בשילוש הקדוש ועוד. למרות זאת, העולם המדעי רואה בברונו קדוש מעונה, שהוצא להורג בשל רעיונותיו. בדומה לגלילאו, לתמיכתו בקופרניקוס היה משקל רב במשפטו, אך בשונה מגלילאו, ברונו סירב לחזור בו מאמונותיו. עם הקראת גזר דינו אמר ברונו: "אולי חששכם בהטלת גזר דין זה גדול מחששי מגזר הדין המוטל עלי."
התפתחות הקוסמולוגיה עד תקופתו של ברונו.
אפלטון (המאה ה-4 לפנה"ס) היה תאורטיקן של המופשט ולדעתו כל הגופים השמימיים חייבים לנוע במעגלים וחייבים להיות כדורים שלמים. עם זאת, היקום האמיתי היה פחות מושלם ולכן התצפיות לא תאמו את התאוריה.
אריסטו, תלמידו של אפלטון המשיך לפתח את התאוריה. אריסטו סבר כי היקום בנוי מספרות מושלמות שעליהן יושבים הכוכבים, כאשר כדור הארץ (יסוד האדמה) נמצא במרכז. סביבו, נמצאים שאר היסודות הנאצלים: המים, האוויר והאש. אחריהם באים כוכבי הלכת במסלולם. מעל לכל, תחום ההרמוניה האלוהית היוצרת את התנועה הסיבובית של מערכת השמים. תצפיות על שינוי בבהירות הכוכבים ומה שנראה כתנועת הכוכבים לאחור (אסטרולוגים רואים בנסיגת ונוס דוגמה למקרה כזה) לא תאמו לתאוריה. בשל כך התאוריה הורחבה כך שהכוכבים בה נמצאים על ספרות השוכנות על הספרות המרכזיות. בתאוריה של אריסטו היה שימוש ב-55 ספרות.
תלמי (המאה השנייה לספירה) העמיד את הארץ במרכז היקום, וסביב לה את גרמי השמים, לפי הסדר הבא: הירח, כוכב חמה, נוגה, השמש, מאדים, צדק ושבתאי. מעבר למסלולו של שבתאי היו קבועים בספרות כוכבי-השבת. כדי להסביר את התנועה הנראית "לאחור" של כוכבי-הלכת, טען תלמי כי כוכבי-הלכת נעים במסלול לולייני המקיף מסלול מעגלי סביב השמש (אפיציקל). דגם שגוי זה, שנקרא המודל הגיאוצנטרי, אומץ על ידי הכנסייה הקתולית, אשר התנגדה למחקר מדעי בכלל, ולכזה שסתר את עיקרי אמונתה בפרט. התנגדות זו הובילה לשקיעת המדע וכך החזיק המודל הגיאוצנטרי מעמד כ-1500 שנה.
בשנת 1543 הציע קופרניקוס מודל שונה, המודל ההליוצנטרי, בו השמש הייתה מרכז היקום. קופרניקוס טען כי כוכבי הלכת אינם קבועים בספרות מוצקות ותנועתם הנראית נובעת מתנועתו של כדור הארץ. התאוריה שלו לא עסקה בשאלה האם הכוכבים שוכנים על ספרה במרחק קבוע או פזורים ביקום העשוי להיות אין סופי.
דמוקריטוס טען כי היקום מכיל עולמות מרובים, מאות שנים לפני ברונו, אולם טענתו נשכחה ונדחתה בפני המודלים של אריסטו ואפלטון.
התאוריה הקוסמולוגית של ברונו.
בזמנו, אסטרונומים מעטים קיבלו את התאוריה של קופרניקוס, שלא הייתה מרחיקת לכת כמו זו של ברונו. גלילאו וקפלר היו צעירים מדי בתקופתו של ברונו. ברונו עצמו לא היה אסטרונום במקצועו, אולם היה מהראשונים לאמץ את רעיונותיו של קופרניקוס ולדחות את תפיסת העולם הרואה את כדור הארץ כמרכז היקום.
במחצית השנייה של המאה השש עשרה, רעיונותיו של קופרניקוס החלו להתפשט באירופה. למרות שברונו לא קיבל את העדפות המתמטיקה על גבי ההשערה על ידי קופרניקוס, הוא קידם את טענתו כי כדור הארץ אינו מרכז היקום. הוא הסיק מכך כמה מסקנות, שעשויות היו להראות טבעיות כיום, אולם נחשבו למהפכניות בזמנו.
ברונו טען כי התאוריות של קופרניקוס סותרות את אלו של הספרות השמימיות הקבועות ומושלמות. ברונו החליף את המודל ההליוצנטרי, כמו במודל של פלוטינוס במאה השלישית לספירה ושל בלייז פסקל מאה שנים לאחר ברונו, במודל שבו מרכז היקום הוא בכל מקום וליקום עצמו אין גבול.
ברונו טען, כפי המקובל לחשוב היום, כי מה שנראה כתנועה היומית של השמש בשמים, הוא אשליה הנובעת מסיבובו של כדור הארץ על צירו. כמו כן הוא לא ראה סיבה להאמין כי היקום מוגבל בגודלו (על כך הדעות חלוקות היום), או שכל הכוכבים נעים במסלול סביב למרכז קבוע. בכך, הייתה תפיסתו דומה לזו של תומאס דיגס ב"A Perfit Description of the Caelestial Orbes" מ-1576.
להבדיל, דיגס חשב כי באזור האין סופי, שמעבר לכוכבים שוכנים להם האלוהים והמלאכים. הוא שמר על תפיסתו של תלמי בדבר ספרות קבועות וראה את כדור הארץ כמקום היחיד בו ייתכנו חיים, אזור ייחודי של שינוי וחוסר שלמות לעומת הספרות הקבועות והמושלמות.
ב-1584 פרסם ברונו את הדיאלוגים האיטלקיים, בהם התנגד לתפיסת הספרות הקבועות. שנתיים לאחר מכן כריסטוף רוטמן התנגד אף הוא לתפיסה זו, ואילו טיכו ברהה פרסם התנגדות נוספת ב-1587. היקום האין סופי של ברונו היה מלא ב"אוויר טהור", אתר (רעיון האתר לא הומצא על ידי ברונו). לתפיסתו האתר לא הפריע לתנועת הכוכבים. ברבות הימים, הוכח שלא קיים חומר זה. השינוי הדרמטי יותר היה נטישת התפיסה ההיררכית של היקום. הן כדור הארץ והן השמש היו במודל שלו כוכבים כשאר הכוכבים.
ברונו טען כי היקום הוא הומוגני ומורכב בכל מקום מארבעת היסודות - (אדמה, מים, אוויר ואש) וכי הכוכבים אינם מורכבים מחומרים שונים. בניסוח מודרני ניתן לומר כי הוא טען כי אותם חוקי טבע תקפים בכל מקום. זמן וחלל הם אין סופיים.
ברונו ראה את מערכת השמש כרכיב בסיסי, שכדוגמתו מצויות מערכות דומות בכל היקום. לפי ברונו, אלוהים בהכרח יצר אין סוף מערכות שמש הפזורות ביקום ומופרדות באתר, שכן ריק אינו יכול להתקיים. כוכבי שביט היו אף הם כוכבים לתפיסתו, ולא כפי שאחרים טענו - יצירות אמורפיות, מכשירים קדושים או שליחי האל. כל כוכב שביט היה עולם, ואף הוא הורכב מארבעת היסודות.
מלבד רעיונות אלו, היו עוד צדדים נוספים בתאוריה של ברונו שקוממו את הכנסייה. ביקום היציב והקבוע שתיאר ברונו לא היה מקום למושגים הנוצריים של בריאת העולם ואחרית הימים. לאלוהים לא היה קשר לחלק אחד של היקום יותר מאשר למשנהו. לפי ברונו, אלוהים היה נוכח בכדור הארץ כמו בשמים, כלומר אלוהים היה קרוב ולא ישות שמימית מרוחקת. לפי פרופ' סטיבן גרינבלט מאוניברסיטת הרווארד, ברונו הושפע מהיצירה על טבע היקום של לוקרטיוס, שמציגה למעשה באורח מלא את התפיסה האפיקוראית של יקום נטול בריאה ותכנון אלוהי.
הקוסמולוגיה של ברונו הייתה אין סופית, הומוגנית, נטולת כיוון או מרכז, והכוכבים היו פזורים ביקום באופן אחיד. החומר היה בר-תפיסה ובדיד, מורכב מאטומים. תפיסות אלו והשימוש במתמטיקה כבסיס לתאוריות מדעיות היו ההבדלים הגדולים בין הקוסמולוגיה של ברונו לזו שהייתה מקובלת בתקופתו. ניצחונו של ברונו הוא שהיום מרבית תפיסותיו נראות לנו כהיגיון פשוט.
הכרה לאחר המוות.
כל עבודותיו של ברונו לוקטו ופורסמו ב-1603.
בשנת 1899 הוקמה אנדרטה בקמפו די פיורי ברומא, מקום הוצאתו להורג של ברונו, לזכרו.
400 שנים לאחר עלותו על המוקד, במהלך כהונתו של האפיפיור יוחנן פאולוס השני הכנסייה הכירה רשמית בטעות שבהוצאתו להורג והביעה על כך "צער עמוק".