開普勒在人類歷史上第一次正確解釋了行星的運動，是天體力學(xué)的奠基者。這也是人類歷史上發(fā)現(xiàn)的第一條現(xiàn)代意義上的自然定律，符合現(xiàn)代意義上人們對自然定律的定義：普遍適用、可以驗證，并且精確。

在其著作《天文學(xué)的光學(xué)部分》中，他在人類歷史上第一次正確解釋了小孔成像的原理;第一次正確解釋了光線在人的眼睛中經(jīng)過折射形成視覺的過程;第一次將為近視和遠視患者所配眼鏡的度數(shù)公式化;第一次正確解釋了為什么用兩只眼睛看事物可以產(chǎn)生“立體知覺”（又稱“深度知覺”），從而為自己贏得了現(xiàn)代光學(xué)奠基人的稱號。

在其著作《折射光學(xué)》（“折射光學(xué)”這一術(shù)語由開普勒創(chuàng)造，并且沿用至今）中，他在人類歷史上第一次闡述了實像、虛像、正像、倒像以及放大率問題;第一次正確解釋了望遠鏡是如何工作的;首次發(fā)現(xiàn)并闡述了全內(nèi)反射的現(xiàn)象和特性。

在其著作《新天文學(xué)》中，開普勒在人類歷史上第一次提出了太陽圍繞其自身的軸自轉(zhuǎn)。

除此之外，他的著作《求酒桶體積之新法》還為積分學(xué)打下了基礎(chǔ);第一次闡述了潮汐的形成是由月亮引起的（伽利略曾對此橫加指責）。

開普勒還嘗試利用由于地球軌道引起的恒星視差來測量恒星與地球之間的距離，這一方法的原理和“立體知覺”的原理是一樣的。今天，這一研究的分支被稱為天體測量學(xué)。

獨立于納皮爾于公元1 6 1 4年出版的對數(shù)表之外，開普勒在人類歷史上第一次從純數(shù)學(xué)的角度演化出了對數(shù)。

在他出版的小冊子《關(guān)于木星的四顆衛(wèi)星的觀測記事》中，開普勒在人類歷史上第一次提出了“衛(wèi)星”一詞。