Die Ideen, die Kepler für den Rest seines Lebens verfolgen sollte, waren bereits in seinem ersten Werk, Mysterium cosmographicum (1596), enthalten. 1594 wurde Kepler Professor für Mathematik am evangelischen Priesterseminar in Graz, Österreich, und arbeitete auch als Bezirksmathematiker und Kalendermacher. Im Jahr 1595 hatte Kepler, während er eine Klasse unterrichtete, einen Moment der Einsicht. Plötzlich kam ihm der Gedanke, dass der Abstand zwischen den sechs kopernikanischen Planeten durch die Beschreibung und Einpassung jeder Umlaufbahn in eines von fünf regelmäßigen Polyedern erklärt werden könnte. Da Kepler den Beweis von Euklid kannte, dass es fünf und nur fünf solcher mathematischer Objekte geben kann, die aus kongruenten Flächen bestehen, beschloss er, dass eine solche Selbstgenügsamkeit eine perfekte Idee bedeuten muss.
Wenn nun das Verhältnis der durchschnittlichen Bahnabstände mit den Verhältnissen übereinstimmte, die durch die Beschreibung und Anpassung von Polyedern erhalten wurden, war Kepler zuversichtlich, dass er die Architektur des Universums entdeckt hatte. Es ist bemerkenswert, dass Kepler eine Übereinstimmung innerhalb von 5 Prozent feststellte, mit Ausnahme des Jupiters, von dem er sagte, dass „sich niemand darüber wundern wird, angesichts der großen Entfernung“. Er schrieb sofort an Maestlin: „Ich wollte Theologe werden; lange Zeit war ich unruhig. Nun aber sehen Sie, wie dank meiner Bemühungen Gott in der Astronomie verherrlicht wird.“
Hätten Keplers Forschungen zur Feststellung dieses architektonischen Prinzips geführt, hätte er weiter nach anderen Arten von Harmonien suchen können; seine Arbeit hätte jedoch nicht gegen die antike griechische Vorstellung von der gleichmäßigen Kreisbewegung der Planeten verstoßen. Keplers Gott war jedoch nicht nur geordnet, sondern auch aktiv. Anstelle der Tradition einzelner körperloser Seelen, die die Planeten antreiben, und anstelle der passiven, ruhenden Sonne des Kopernikus stellte Kepler die Hypothese auf, dass eine einzige Kraft von der Sonne aus die immer länger werdenden Perioden der Bewegung mit zunehmendem Abstand zwischen den Planeten erklärt.
Kepler verfügte noch nicht über eine genaue mathematische Beschreibung dieser Beziehung, aber er spürte einen Zusammenhang. Einige Jahre später erwarb er William Gilberts bahnbrechendes Buch De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (1600; „Vom Magneten, den magnetischen Körpern und dem großen Magneten, der Erde“), und er akzeptierte sofort Gilberts Theorie, dass die Erde ein Magnet sei. Kepler verallgemeinerte daraufhin die Idee, dass das Universum ein System magnetischer Körper ist, in dem die rotierende Sonne die Planeten mit ihren jeweiligen identischen Polen abstoßend und im Gegensatz zu den Polen anziehend umkreist. Die Sonnenkraft, die umgekehrt zum Abstand in den Bahnebenen abnimmt, war das grundlegende physikalische Prinzip, das Kepler in seinem Bemühen um eine bessere Bahntheorie für den Mars leitete.
Aber da war noch etwas anderes: Der Standard der empirischen Präzision, den Kepler einhielt, war für seine Zeit beispiellos. Der große dänische Astronom Tycho Brahe (1546-1601) machte es sich zur Aufgabe, eine völlig neue Reihe von Planetenbeobachtungen zu sammeln und damit die Grundlagen der praktischen Astronomie zu reformieren. Im Jahr 1600 lud Tycho Kepler ein, an seinen Hof auf Schloss Benatky bei Prag zu kommen. Als Tycho 1601 plötzlich starb, wurde Kepler rasch sein Nachfolger als kaiserlicher Mathematiker des römischen Kaisers Rudolf II. Keplers erste Veröffentlichung als kaiserlicher Mathematiker war ein Werk, das mit den theoretischen Prinzipien der ptolemäischen Astrologie brach. Unter dem Titel De Fundamentis Astrologiae Certioribus (1601; Über die „sichereren Grundlagen der Astrologie“) schlägt dieses Werk vor, die Astrologie „präziser“ zu machen, indem es sie auf neue physikalische und harmonische Prinzipien stützt. Es zeigt sowohl die Bedeutung der astrologischen Praxis am kaiserlichen Hof als auch die intellektuelle Unabhängigkeit Keplers, der vieles von dem, was man über den Einfluss der Sterne zu wissen glaubte, ablehnte. Die relativ große intellektuelle Freiheit, die am Hofe Rudolfs möglich war, wurde nun durch Keplers unerwartetes Erbe einer wichtigen Quelle erweitert: Tychos Beobachtungen.
Zu Lebzeiten geizte Tycho mit der Weitergabe seiner Beobachtungen. Nach seinem Tod konnte Kepler trotz eines politischen Streits mit Tychos Erben schließlich mit Daten arbeiten, die auf 2′ des Winkels genau waren. Ohne so genaue Daten zur Untermauerung seiner Sonnenhypothese hätte Kepler sein „erstes Gesetz“ (1605), wonach sich der Mars auf einer elliptischen Bahn bewegt, nicht entdecken können. Als er beispielsweise versuchte, die von seinem physikalischen Modell vorhergesagten korrekten heliozentrischen Entfernungen mit einer kreisförmigen Bahn in Einklang zu bringen, zeigte sich in den Oktanten ein Fehler von 6′ oder 8′ (unter der Annahme, dass der Kreis in acht gleiche Teile geteilt war). Kepler rief aus: „Da diese 8′ nicht ignoriert werden konnten, führten sie allein zu einer vollständigen Reform der Astronomie.“ Keplers Reform der Astronomie wurde mit seiner Reform der Prinzipien der Astrologie und Tychos radikaler Verbesserung der Himmelsbeobachtung koordiniert. So wie der Abstand zwischen den Planeten eng mit den polyedrischen Formen zusammenhängt, glaubte Kepler auch, dass nur die Strahlen, die in den richtigen harmonischen Winkeln auf die Erde fallen, wirksam sind.
