وفي آخر الأمر في ١٦٠٤ توصل إلى كشفه الأساسي الممتاز الذي فتح عصراً جديداً-وهو أن مدار المريخ حول الشمس عبارة عن قطع ناقص، وليس دائرة، كما ظن الفلكيون ابتداء من أفلاطون ومن جاء بعده بما فيهم كوبرنيكس. فالمدار المتخذ شكل القطع الناقص هو الوحيد الذي ينسجم مع الأرصاد المتكررة التي قام بها تيكو وغيره. وقفز ذهن كبلر المتوقد الذكاء إلى التساؤل: ماذا لو كانت مدارات كل كواكب على شكل قطع ناقص؟ وبادر إلى تفحص الفكرة على أساس الملاحظات والأرصاد المدونة، فاتفقت معها اتفاقاً يكاد يكون تاماً. وفي رسالة باللاتينية عن حركات المريخ "الفلك الجديد وحركة المريخ". (١٦٠٩) نشر أول قانونين من "قوانين كبلر" أولهما: إن كل كوكب يدور في مدار على شكل قطع ناقص، الشمس إحدى بؤرتيه، والثاني أن سرعة دوران الكوكب تزيد كلما قرب من الشمس، لا كلما ابتعد عنها، وأن نصف القطر الذي يمتد من الشمس إلى الكوكب يقطع، في دورانه مسافات متساوية في أزمنة متساوية، وعزا كبلر الاختلافات في سرعة الكواكب إلى زيادة انبثاق الطاقة الشمسية التي يحسها الكوكب كلما اقترب من الشمس، ومن هذه الناحية طور كبلر عن جلبرت فكرة الجذب المغناطيسي وهي قريبة جداً من نظرية نيوتن في الجاذبية.
وعند موت الإمبراطور رودلف (١٦١٢) انتقل كبلر إلى لنز، وعاد ثانية إلى العيش على التعليم في المدارس، وماتت زوجته فتزوج من بنت فقيرة يتيمة. وفيما كان يزود بيته الجديد بالخمر، افتتن بالصعوبة التي لقيها في تقدير محتويات قنينة ذات جوانب منحنية. وساعد البحث الذي نشره عن هذه المسألة على التمهيد لاكتشاف حساب التفاضل (الكميات المتناهية الصغر).
وبعد أن فكر كبلر لمدة عشر سنوات تفكيراً عميقاً في إيجاد العلاقة بين سرعة الكوكب وحجمه، نشر في كتابه "تناسق الكون"(١٦١٩) قانونه الثالث، مربع زمن دورة الكوكب حول الشمس يتناسب مع الجذر التكعيبي