学说的形成背景及成书过程
从远古时代起，人类就对浩渺天穹和日月星辰产生了浓厚的兴趣，并不断思考，希望了解宇宙结构、掌握天体运行规律。早在古希腊时代就有哲学家提出地球在运转，但由于当时缺乏依据而没有得到大众的认可。
在古代欧洲，亚里士多德和托勒密都主张“地球中心学说”。托勒密认为，地球静止不动地坐镇宇宙中心，所有天体，包括太阳、水星、金星、火星、木星、土星等都围绕地球运转。然而，人们在观测中却发现，天体的运行并不是一成不变的，它时前时后、时快时慢，这让人们感到困惑。为了解决这一问题，托勒密提出了“圆轮说”，即天体运动的圆轮中心环绕地球作均衡运动。这个圆轮被称为“均轮”，其他较小的圆轮则称为“本轮”。在主要的“本轮”之外，他另外增加了一些辅助的“本轮”，并采用了“虚轮”的说法，这样就使“本轮”中心的不均衡运动，从“虚轮”的中心看来似乎是“均衡”的。
“地球中心学说”的观点与《圣经》中关于三界（天堂、人间、地狱）的说法不谋而合。因此在“政教合一”的中世纪，处于统治地位的教廷力挺“地球中心学说”，把它和“上帝创造世界”融为一体，经院神学家们还把“地静天动”的内容融入教义，并把它们延伸至古希腊学说。实际上，这并不是古希腊典籍里的真实内容，而是经过经院神学家们加工处理过的。这种被扭曲了的学说为神学统治服务，它是神学家们愚弄民众的工具。为巩固封建统治，教会采取了一系列“愚民”措施，他们烧掉许多珍贵的科学著作，并用极刑处死有独特见解的科学家，企图扼杀掉一切新思想、新学说。
15—16世纪，资本主义在欧洲萌芽，各国社会形态发生了巨大变化。城市工商业的兴起，尤其是采矿和冶金业的快速发展，使许多国家出现了一些新兴的大城市。到15世纪末，中央集权的君主政体在不少国家出现。哥白尼的家乡波兰也发生了翻天覆地的变化，许多手工业城市在资本主义的萌芽中快速兴盛起来。
当时，教会仍掌控国家统治权，新兴的资产阶级为寻求自身的生存和发展，运用古希腊的哲学、科学和文艺，首先在意大利掀起了一场反对封建制度和教会迷信思想的斗争——文艺复兴运动。这股人文主义思潮给当时的社会注入了活力，它很快感染了波兰及欧洲其他国家。
与此同时，商业的活跃也迅速促进了对外贸易的兴起。在物质利益的驱使下，欧洲的冒险家们远航至非洲、印度及整个远东地区。在远洋航行中，人们掌握了不少天文地理知识，也积累了许多观测资料，这些见闻与当时流行的“地静天动”宇宙学说并不完全相符，这就引发了人们的思考，人们开始更深层次地去探索宇宙奥秘。1492年，意大利著名航海家哥伦布横渡大西洋到达美洲大陆，麦哲伦和他的同伴绕行地球一周。这些事实证明地球就是球形的。此时的人们开始真正认识地球，不再认为它是上帝安排给“天之骄子”们生活的襁褓。
经济的快速发展，带动了科学、文化的快步前行，天文观测的精确度也渐渐提高，大量具有可信度的观测资料被积累下来。这时，人们发现，仅用托勒密的“本轮”不足以解释天体的运行，为了弥合破绽，后代的学者们不断增添新的“本轮”“均轮”。对学说的“修修补补”，使“地球中心学说”体系变得越来越复杂。到文艺复兴时期，托勒密体系里的“均轮”和“本轮”数目达80多个，这个数目是骇人的，也是极不合理的。
哥白尼意识到，对天文学的研究，不是强迫宇宙现象服从原有学说，也不应该继续“修补”托勒密的旧学说，而是要让天文现象指引天文学家，让宇宙现象来回答问题，并从现象中发现规律，得出宇宙结构的新学说。年轻的哥白尼在克莱考大学读书时，就开始思考地球运转问题，他曾用“捕星器”和“三弧仪”观测月食，研究浩瀚无边的星空，这是他进行天体研究工作的一个良好开端。后来，当他在意大利学习教会法时，也一边努力钻研天文学。在那里，他与知名的天文学家多米尼克·玛利亚一起研究月球理论，并孜孜不倦地观测天象、积累数据、探索行星的运动规律。此时的哥白尼开始用实际观测来揭露托勒密学说和客观现象之间的矛盾。
此外，哥白尼还努力研读古代的典籍，目的是为“太阳中心学说”寻求参考资料。他读遍了能够弄到手的各种文献。在钻研古代典籍的时候，哥白尼尤爱摘抄古代学者的卓越见解，他把这些在当时被认为是不符合《圣经》和教义的独特见解当成前进的灯塔，并在自己的观察实测中融会贯通。
同时，他十分勤奋地钻研托勒密的著作，在研读中逐渐找到了“地球中心学说”和科学方法之间的矛盾。
1506年，瘟疫在意大利流行。凑巧，这时出现了“彗星断天”的异常天象。另外还发生了一件事，即罗马教皇亚历山大谋害他人不成，反倒自己误饮了毒酒命丧黄泉。天灾加人祸，使得人心不安。教会趁机编造出种种天将降祸的谣言，招摇撞骗，聚敛钱财，愚弄民众。当哥白尼回到波兰时，教会正以天空出现的另一罕见星象大做文章，造谣说洪水和瘟疫很快就会到来，这是上天对世人的惩罚。这样的言论，引得社会一片恐慌，国家近乎崩溃。与此同时，波兰教会借机活动，说无论活人还是死人，只有买了“赎罪券”，方可消灾免难。普通百姓为了求得“赎罪券”，弄得倾家荡产，难以活命；达官贵人日夜寻欢作乐，以消除心中的恐慌。整个首都一片乌烟瘴气、民不聊生。
哥白尼通过细心研究，发现教会有关天象的说法中包含错误数据，明显是在蛊惑人心。面对这种情况，他和他的朋友们积极研究两星“相会”问题。他们在不同地区进行观察实测，以期能一起揭发教会的丑陋嘴脸。
在观察实测中，哥白尼和他的朋友们发现，第四次两星“相会”的日期提前了一个多月，与教会所说的时间并不相符，而和他的推算却是符合的。
哥白尼还深入研究了行星视运动的不均匀运动，例如逆行、留、打结状轨道一类。他发现，这些运动现象用同心圆上的均匀运动根本就不能解释。用托勒密学说中的“偏心圆”和“本轮”也得不出与实测相符的结果。在深思熟虑后，哥白尼一针见血地指出：赋予地球以行星绕日一样的运动是唯一的出路。这就是日心说的基础。
为论述自己观测到的天体运行规律和“太阳中心学说”这一观点，哥白尼写了一篇名为《试论天体运行的假设》的论文，他在文中指出，天体运行具有以下几个特点：
1．所有天体轨道和天体不会有一个共同的中心。
2．地球仅是自身的引力中心和月球的轨道中心，并不是宇宙的中心。
3．所有天体都绕太阳运转，太阳附近某处就是宇宙中心。
4．天穹高度远不止地球到太阳的距离。
5．地球和别的行星一样绕着太阳运转。它一昼夜绕地轴自转一周，一年绕太阳公转一周。
6．人眼看到的太阳和行星运动现象是地球运动引起的，地球同时进行着几种运动。
《试论天体运行的假设》是哥白尼在以前观测到的基础上创作而成，是《天体运行论》的一个学说提纲，为在这块基石上建起高楼大厦，哥白尼进行了长期的观察实践。
在回国任教不久之后哥白尼开始写作《天体运行论》。
1512年，哥白尼定居弗龙堡，为方便观测天象，他买下了城堡的一座箭楼，把箭楼的顶楼作为工作室，他用自己制作的简陋仪器作为观测工具。在有记录可查的50多次观测中，包括了对日食、月食、火星、金星、木星和土星的方位观察等。1516年秋后的极长一段时间里，十字军骑士团多次侵占波兰的各个城堡，教会派哥白尼担任教产总管，对付压境的十字军骑士团。“太阳中心学说”的观测和完成，很多都是在和十字军骑士团的斗智斗勇中进行的。直到1525年，哥白尼才在弗龙堡全面展开《天体运行论》的写作，并于1536年左右完成。在哥白尼的天文观测研究期间，他一度受到教皇的猜忌和监视，所幸手稿并未落入教皇手中。
手稿完成之后，哥白尼迟迟不肯让其面世。究其原因，正是因为他的理论不但违反《圣经》和教义，而且矛头直指托勒密的“地球中心学说”，认为其是“主观和荒谬的”。这样的一本书极有可能会被认为是“异端邪说”；而哥白尼自己也将会被当作“离经叛道分子”，受到教会的迫害。然而他的朋友和学生们对此热情不减，他们积极地协助和促成哥白尼出版这一著作，他的学生雷蒂库斯为他修订书稿，并和朋友奥西安德尔一起联系了出版商。为了让《天体运行论》顺利出版，奥西安德尔杜撰了一篇前言，他在前言中称书中理论是为了编算星历表和预测行星位置而提出的一种人为设计，不一定代表了行星在太空中的真实运动。他的这一席话，在其后的许多年，蒙蔽了不少人的眼睛。哥白尼为免受教会的迫害，在序言中宣称把书奉献给教皇保罗三世，希望能因此得到保罗三世的支持与庇护。由于采取了这些掩护措施，这部巨著终于在1543年得以出版。