ב-1491 החל קופרניקוס ללמוד באוניברסיטה היגלונית בקרקוב, ושם התוודע לאסטרונומיה, הודות למורו אלברט בּרוּדְזֶבסקי (Albert Brudzewski). מדע זה ריתק אותו, וספריו (שנבזזו על ידי השוודים, וכיום נמצאים בספרייה של אופסלה) מראים זאת. לאחר ארבע שנים וביקור קצר בטורון, הוא עבר לאיטליה, שם הוא למד משפטים ורפואה באוניברסיטאות בולוניה ופדובה. דודו מימן את לימודיו, ורצה שגם הוא יהיה לבישוף. אך בעת שלמד משפט ציבורי וכנסייתי בפרארה, הוא פגש במורה דומניקו מריה נובארה דה פררה (Domenico Maria Novara da Ferrara), אסטרונום מפורסם. הוא למד אצלו, ונעשה לתלמיד מובהק ועוזר שלו.
התצפיות הראשונות שערך קופרניקוס יחד עם מורו דומניקו נובארה, ב-1497, רשומות בחיבורו De Revolutionibus Orbium Coelestium ("על תנועתם של גרמי השמים").
ב-1497 נעשה דודו לבישוף של וארמייה, וקופרניקוס הוסמך לכומר בקתדרלה של פראואנבורג, אך הוא המתין באיטליה לשנת 1500, אז הגיע לרומא שם יכול היה לצפות בליקוי ירח, וכמו כן הרצה שם בענייני אסטרונומיה ומתמטיקה.
הוא ביקר בפראואנבורג רק ב-1501. מיד כשהגיע לעיירה, ביקש רשות לחזור לאיטליה ולשוב ללימודיו בפדואה ובפררה, שם ב-1503 הוא קיבל תואר דוקטור במשפט כנסייתי. מניחים כי בפדואה הוא גילה את הפסקאות בכתבי אפלטון וקיקרו על דעות ההוגים בעת העתיקה לגבי תנועת כדור הארץ, ושם הוא קיבל את האינטואיציה הראשונה לתאוריה שלו. התצפיות והרעיונות שלו על התאוריה הזו החלו ב-1504.
לאחר שסיים את לימודיו עזב את איטליה ושב לפרומברוק. זמן מה לפני שחזר לוורמיה, הוא קיבל משרה בכנסיית הצלב הקדוש בברסלאו, שלזיה, שם הוא נשאר לשנים רבות עד שפרש כמה שנים לפני מותו, בשל מחלה. לכל אורך חייו המשיך בתצפיות ובחישובים אסטרונומיים, אך תמיד בזמנו הפנוי ולא כמקצוע.
קופרניקוס עבד במשך כמה שנים בדיאט הפרוסי על רפורמות כלכליות, שעליהן ייעץ למלך זיגמונד, ופרסם כמה מחקרים על ערך הכסף; כמושל ורמיה, ניהל את ענייני המסים וכן ישב לכס המשפט. בזמן זה קופרניקוס חשב על אחת מהגרסאות הראשוניות למה שהיום ידוע כחוק גרשאם. בשנים אלה הוא ערך נסיעות רבות בענייני ממשל ודיפלומטיה, בשליחות הבישוף של ורמיה.
ב-1514 הוא כתב את ה"קומנטריולוס" ("Commentariolus") – טקסט קצר בכתב יד, המתאר את הרעיונות שלו לגבי ההיפותזה ההליוצנטרית, ופרסם אותה בין חבריו. לאחר מכן הוא המשיך לאסוף ראיות שתומכות בתאוריה שלו באופן מפורט יותר.
בזמן המלחמה בין המסדר הטבטוני לבין ממלכת פולין (1519–1524) הגן קופרניקוס בהצלחה על אלנשטיין, בראש הכוחות המלכותיים, שהיו במצור בידי כוחות של אלברט מפרוסיה.
ב-1533 העביר יוהאן וידמנשטטר (Widmanstetter), מזכירו של האפיפיור קלמנס השביעי, סדרת הרצאות ברומא שהציגו את התאוריה של קופרניקוס. ב-1536 התאוריה כבר הייתה מנוסחת בצורה ברורה, ושמועות עליה הגיעו לכל המדענים באירופה. ממקומות שונים ביבשת, קופרניקוס קיבל הזמנות לפרסם את התאוריה, אך הוא פחד מרדיפות מהממסד בשל האופי המהפכני של התאוריה שלו. הקרדינל ניקולאוס משנברג מקפואה, ארכיבישוף קפואה, שלח לו מכתב, בו הוא מבקש שיפרסם את רעיונותיו וביקש גם עותק לעצמו. יש שהציעו כי בקשה זו היא שהלחיצה את קופרניקוס ומנעה ממנו לפרסם, ואילו אחרים חושבים כי הכנסייה דווקא רצתה שהוא יפרסם את דעותיו.
קופרניקוס עדיין עבד על התאוריה שלו ב-1539, כשגיאורג יואכים רטיקוס, מתמטיקאי חשוב מוויטנברג, הגיע לפראואנבורג. פיליפ מלנכתון ארגן פגישות בין רטיקוס לכמה אסטרונומים. רטיקוס נעשה לתלמידו של קופרניקוס, ונשאר עמו לשנתיים, שבמהלכן חיבר ספר בשם "נרטיו פרימה" (" Narratio prima"), שבו כלולה תמצית התאוריה שלו.
ב-1542 פרסם רטיקוס בשם קופרניקוס חיבור על טריגונומטריה. תחת לחץ כבד מרטיקוס, ולאחר שראה כי הספר הראשון לא נתקבל היטב בציבור, קופרניקוס הסכים לבסוף לפרסם את ספרו בנירנברג, בעזרת חברו טידמן גיזה (Tiedemann Giese), בישוף חלמנו (Chełmno).
האגדה מספרת כי העותק הראשון של "דה רבולוטיוניבוס" הגיע לידיו של קופרניקוס ביום מותו, כך שהוא יכול היה להיפרד ממפעל חייו, וכי הוא התעורר מהתרדמת שהיה שרוי בה, הסתכל בספר, ומת בשלווה.
קופרניקוס נקבר בקתדרלת פראואנבורג, אך קבוצת ארכאולוגים שחיפשה את גופתו ב-2004 לא הצליחה למצוא אותה, אף שמצאו כמה קברים אחרים מאותה תקופה. החיפושים נמשכו בשנת 2005, ושרידי גופתו אכן נמצאו, וזוהו על פי בדיקות גנטיות. הוא נקבר מחדש בטקס מפואר בשנת 2010.
התאוריה ההליוצנטרית של קופרניקוס.
תאוריות מוקדמות.
רבות נכתב על התאוריות ההליוצנטריות המוקדמות. פילולאוס (המאה ה-5 לפנה"ס) היה מהראשונים שהציעו כי הארץ נעה, כנראה בהשראת התאוריות של פיתגורס על הגלובוס העגול.
אריסטרכוס מסאמוס (המאה ה-3 לפנה"ס) פיתח כמה תאוריות של הרקלידס פונטיקוס (שכבר דיבר על סיבוב של כדור הארץ סביב צירו) והציע את התאוריה הרצינית הראשונה המוכרת לנו של מערכת שמש הליוצנטרית. החיבור שלו על ההיפותזה ההליוצנטרית לא שרד, ולכן אנו יכולים רק לנחש מה הוביל אותו למסקנותיו. לפי פלוטרכוס, כותב אחר, בן זמנו של אריסטרכוס, האשים אותו בחוסר אדיקות בשל כך ש"הניע את הארץ".
קופרניקוס ציטט את אריסטרכוס ופילולאוס בכתב יד ראשוני של ספרו ששרד, כשהוא כותב: "פילולאוס האמין בתנועת הארץ, ויש אף שאומרים כי גם אריסטרכוס איש סאמוס היה בדעה זו". מסיבות שאינן ידועות הוא מחק את הפסקה הזו לפני פרסום ספרו.
החיבור של האסטרונום המוסלמי בן המאה ה-14, אבן אל-שאטיר, כולל תצפיות וחישובים הדומים לאלה של קופרניקוס, ויש שהציעו כי קופרניקוס הושפע ממנו.
התאוריה הקופרניקאית.
התאוריה של קופרניקוס פורסמה בספר "על תנועתם של גרמי השמים" ("De revolutionibus orbium coelestium") בשנת מותו, 1543, אף שהוא פיתח אותה כמה עשורים מוקדם יותר.
ספר זה מציין את ראשית המעבר מיקום גיאוצנטרי (בעצם, אנתרופוצנטרי), שהארץ במרכזו. קופרניקוס טען כי הארץ היא אחת מכמה כוכבי לכת, המסתובבים סביב שמש שאינה נעה, וכי היא משלימה את הקפתה פעם בשנה, יחד עם סיבוב סביב צירה פעם ביום. הוא הגיע לסדר הנכון של כוכבי הלכת, ואף הצביע על שינוי איטי בכיוון ציר הסיבוב של כדור הארץ כגורם לתופעה הידועה כנקיפה (פְּרֶצֶסיה), וכן הסביר כי קיומן של עונות נובע מהעובדה שציר הסיבוב אינו ניצב למישור הסיבוב של כדור הארץ, אלא נטוי בזווית. הוא אף הוסיף תנועה נוספת לכדור הארץ, השומרת על כך כי הציר שלה יהיה מכוון כל הזמן לאותה הנקודה (צפון-דרום). לאחר מכן, בזמנו של גלילאו גליליי הובהר, כי אין כאן תנועה נוספת, וכי אם הארץ לא הייתה נשארת באותה נקודה, הרי שהיה צורך בתנועה כזו.
קופרניקוס טען כי כל המסלולים במערכת השמש הם מעגליים, דבר שאינו מדויק, שכן הם אליפטיים, ולפיכך המודל שלו היה לא מדויק ולא יכול היה לחזות אירועים אסטרונומיים בצורה טובה מזה של תלמי, שהיה מקובל אז. הוא גם סבר שמערכת השמש קטנה בהרבה מגודלה הממשי, כמו רוב האסטרונומים בתקופתו.
ובכל זאת, למודל שלו הייתה השפעה מכרעת על מדענים רבים דוגמת גליליי, טיכו ברהה ויוהאנס קפלר, אשר אימצו ושיפרו אותו (בעיקר, קפלר).
רק תצפיותיו של גליליי אל כוכב הלכת נוגה בעזרת הטלסקופ שבנה, היו הראיות הממשיות הראשונות לתאוריה של קופרניקוס.
את המערכת הקופרניקאית אפשר לסכם בשבע נקודות, כפי שקופרניקוס עצמו עשה בסיכום שנמצא ופורסם רק ב-1878:
De Revolutionibus Orbium Coelestium.
חיבורו של קופרניקוס "על תנועתם של גרמי השמים" (1543), אשר הוקדש לאפיפיור פאולוס השלישי, מחולק לשישה חלקים:
קופרניקוס וקופרניקניזם.
לתאוריות של קופרניקוס יש חשיבות רבה בהיסטוריה של הידע האנושי. רבים הציעו כי רק לגאומטריה האוקלידית, לתאוריית האבולוציה של דרווין ולפיזיקה של ניוטון הייתה השפעה דומה על התרבות האנושית ככלל ועל המדע בפרט.
ישנן משמעויות רבות לתאוריה שלו, לבד מהערך המדעי שלה. חיבורו היה מהפכני ביחס שלו לדת המקובלת, לדוגמטיזם, ולחופש של המחקר המדעי, ומשווים אותו בזה לגלילאו גליליי.
כשחיבורו פורסם, הוא סתר את הדוגמה הדתית המקובלת: הצעתו הייתה, כי אין צורך בישות חיצונית כלשהי שתיתן נשמה, כוח וחיים לעולם ולאנושות, וכי המדע יכול להסביר את הקיום.
אולם, הקופרניקניזם גם פתח פתח לאימננטיות, הדעה שהכוח או הישות האלוהית קיימת בתוך כל דבר ביקום, רעיון שפותח רבות בפילוסופיה המודרנית. אימננטיזם גם מוביל לסובייקטיביזם מטפיזי: התאוריה שנקודת המבט היא שיוצרת את המציאות, וכי אין מציאות אמיתית כללית שקיימת לבד מהחישה. לפיכך, יש שאומרים כי קופרניקוס הרס את היסודות של המדע והמטפיזיקה של ימי הביניים.
החידוש של קופרניקוס היה מהפכה מדעית. עמנואל קאנט, לדוגמה, ראה את המשמעות הסמלית של המהפכה הקופרניקאית כמייצגת את הדעה שהרציונליות האנושית היא המקור האמיתי לתופעות הנצפות. גם פילוסופים מודרניים רואים משמעות פילוסופית רבה בקופרניקניזם.
הנצחתו.
מורשתו של קופרניקוס הייתה שנויה במחלוקת עזה במאות ה-19 וה-20, משום שהן הלאומיות הגרמנית והן הלאומיות הפולנית תבעו בעלות עליו. היסטוריונים וכותבים לאומיים התאמצו להוכיח שהאסטרונום, נתין נחלה פיאודלית שדיבר גרמנית כשפת אמו (באוניברסיטת בולוניה הוא היה חבר "האומה הגרמנית" בקרב הסטודנטים) וכתב בלטינית, היה גרמני או פולני. מחאות פולניות, על כך שקופרניקוס איננו מוצג כפולני במקומות שונים, פורצות מפעם לפעם.