开普勒在人类历史上第一次正确解释了行星的运动，是天体力学的奠基者。这也是人类历史上发现的第一条现代意义上的自然定律，符合现代意义上人们对自然定律的定义：普遍适用、可以验证，并且精确。
　　


　　在其著作《天文学的光学部分》中，他在人类历史上第一次正确解释了小孔成像的原理;第一次正确解释了光线在人的眼睛中经过折射形成视觉的过程;第一次将为近视和远视患者所配眼镜的度数公式化;第一次正确解释了为什么用两只眼睛看事物可以产生“立体知觉”（又称“深度知觉”），从而为自己赢得了现代光学奠基人的称号。
　　在其著作《折射光学》（“折射光学”这一术语由开普勒创造，并且沿用至今）中，他在人类历史上第一次阐述了实像、虚像、正像、倒像以及放大率问题;第一次正确解释了望远镜是如何工作的;首次发现并阐述了全内反射的现象和特性。
　　在其著作《新天文学》中，开普勒在人类历史上第一次提出了太阳围绕其自身的轴自转。
　　除此之外，他的著作《求酒桶体积之新法》还为积分学打下了基础;第一次阐述了潮汐的形成是由月亮引起的（伽利略曾对此横加指责）。
　　开普勒还尝试利用由于地球轨道引起的恒星视差来测量恒星与地球之间的距离，这一方法的原理和“立体知觉”的原理是一样的。今天，这一研究的分支被称为天体测量学。
　　独立于纳皮尔于公元1 6 1 4年出版的对数表之外，开普勒在人类历史上第一次从纯数学的角度演化出了对数。
　　在他出版的小册子《关于木星的四颗卫星的观测记事》中，开普勒在人类历史上第一次提出了“卫星”一词。