开普勒在物理学特别是光学领域作出了杰出贡献。1604年他的《对威蒂略的补充，天文光学说明》一书问世。威蒂略（1220—1270）是中世纪著名的波兰物理学家，著有《物理学》、《光学》等书，阐述了文艺复兴以前最重要的光学理论。开普勒在此基础上又作了发展，他描述了人的视觉的形成过程，揭示了视网膜的作用，指明了近视和远视的原因。虽然早在1299年佛罗伦萨的阿玛蒂就发明了矫正视力的眼镜，但直到开普勒才解释了这些弯曲的小玻璃片的作用。他对视觉的分析，给了解眼器官的结构和机能打下了基础。
1609年开普勒发表了《天文学中的光学》一书。同年伽利略发明了一架折射望远镜。伽利略望远镜由一块凸镜作物镜和一块凹镜作目镜组成，它成正像，但出射光瞳在目镜与物镜之间，视场小且不易安装瞄准叉丝，在天文观测中用途不大。开普勒深入研究并阐释了望远镜的原理，对折射望远镜作了重大改进，设计了开普勒望远镜。他以凸透镜作目镜，使出射光瞳在目镜外面，能获得较大视场，也可方便地安置瞄准叉丝。1613年制造出第一架开普勒望远镜，至十七世纪中叶已为天文学家普遍采用。开普勒关于望远镜的理论，写在1611年出版的《光学》一书中。
开普勒在说明望远镜原理时，看到光从已知光源以球面辐射出来，直觉地提出了光度随距离减弱的平方的反比律，他觉得介质的折射力与介质的密度成正比，但是英国数学家哈略特向他指出，油比水的折射力大，但是油比水的密度小。正确的光的折射律是由莱顿的一位数学教授威里布里德·斯涅耳（1591—1626）于公元1621年发现的。
开普勒最先认为大气有重量，并正确解释了月全食时月亮呈红色是因太阳光经过大气折射后投射到上面而造成的。他首先把潮汐同月球的活动联系起来，第一次宣布地球以外的行星也是物质的、不完美的。这是一个了不起的发现，但不知什么原因，他的朋友伽利略却不接受他关于潮汐的理论。
1611年开普勒即兴写了一本未完成的书：《六角形的雪》。通过对六角的雪的观察使他得出了对称的观念，并推想到雪是由许多球体紧密堆积而成。这本书可视为晶体学的发轫。
开普勒在几何学中也有独到的建树。1615年他发表了《葡萄酒桶的立体几何》，这本书被称为人类创造球面、体积新方法的灵感源泉。在这本书中，开普勒用无穷大和无穷小的概念来代替古老而烦琐的穷竭法，他设想一个由无数个三角形构成的圆，其中每个三角形的顶点都处在圆心，圆周是由它们无穷小的底边构成。同样，圆锥体可以看成是由大量具有共同顶点的棱锥体所构成，圆柱体是由大量棱柱体所构成，这些棱柱体的底边构成圆柱体的底边，它们的高就是圆柱体的高。开普勒采用这些观念得出了一些古人辛辛苦苦极难得到的结果。他的方法中虽缺少关于极限的明确概念，和有效的求和方法，但可导致正确的结果，他的方法给数学家开辟了一个广阔的思考园地。 开普勒是近代自然科学的开创者之一。在天文学方面如果没有他，日心说的命运当时将是不确定的。他的三大定律奠定了经典天文学的基石，为牛顿数十年后发现万有引力定律铺平了道路。他在科学研究中一贯坚持尊重事实的严肃态度，当他发现设想与事实不符时，就毫不犹豫地抛弃了它们。但他毕竟是中世纪与近代交替时期的人物，思想上必然带有时代的局限性。
开普勒对天文学的贡献几乎可以和哥白尼相媲美。事实上从某些方面来看，开普勒的成就甚至给人留下了更深刻的印象。他更富于创新精神。他所面临的数学困难相当巨大。数学在当时远不如今天这样发达，没有计算机来减轻开普勒的计算负担。
从开普勒取得的成果的重要性来看，令人感到惊奇的是他的成果起初差一点被忽略，甚至差点被伽利略这样如此伟大的科学家所忽略（伽利略对开普勒定律的忽视特别令人感到惊奇，因为他俩之间有书信往来，而且开普勒的成果会有助于伽利略驳斥托勒密学说）。如果说其他人迟迟不能赏识开普勒成果的重大意义的话，他本人是会谅解这一点的。他在一次抑制不住巨大喜悦时写道：“我沉湎在神圣的狂喜之中……我的书已经完稿。它不是会被我的同时代人读到就会被我的子孙后代读到──这是无所谓的事。它也许需要足足等上一百年才会有一个读者，正如上帝等了6000年才有一个人理解他的作品。”
但是经过几十年的历程，开普勒定律的意义在科学界逐渐明朗起来。实际上在17世纪晚期，有一个支持牛顿学说的主要论点认为开普勒定律可以从牛顿学说中推导出来，反过来说只要有牛顿运动定律，也能从开普勒定律中精确地推导出牛顿引力定律。但是这需要更先进的数学技术，而在开普勒时代则没有这样的技术、就是在技术落后的情况下，开普勒也能以其敏锐的洞察力判断出行星运动受来自太阳的引力的控制。 《宇宙的奥秘》（Mysterium cosmographicum）（1596）
《天文学的光学需知》（Astronomiae Pars Optica）（1604）
《蛇夫座脚部的新星》（De Stella Nova in Pede Serpentarii）（1606）
《新天文学》（Astronomia nova）（1609）
《折光学》（Dioptrice）（1611）
《世界的和谐》（Harmonices Mundi）（1618）
《哥白尼天文学概要》（Epitome astronomiae Copernicanae）（1618-1621）
《鲁道夫星表》（Tabulae Rudolphinae）（1627）
本视频主要介绍了万有引力的开端，地心说、日心说、开普勒三定律的代表人物，他们的理念对万有引力与航天发展的影响。尤其是开普勒三定律对后续万有引力的学习有着至关重要的作用。