Получив степень доктора церковного права, Коперник вернулся в Польшу и служил врачом при епископском дворе Гейльсберга (Лидзбарк-Варминьски), где жил его дядя. Услуги Коперника были востребованы среди местной знати и высшего духовенства, однако он почти все время посвящал лечению бедняков. При епископском дворе он занимался также административными делами епархии, а также стал советником дяди. После смерти дяди в 1512 году Коперник переселился во Фромборк и остаток дней посвятил духовным обязанностям каноника. Однако он оставался математиком, медиком и богословом и только теперь приступил к работе над трактатом, прославившим его в веках.
Интерес к астрономии у Коперника пробудился в 1500 году, когда он наблюдал лунное затмение.
В марте 1513 года Коперник приобрел у своего капитула 800 обтесанных камней и бочку извести и приступил к оборудованию обсерватории в башне. Там он наблюдал Солнце, Луну и звезды при помощи всевозможных астрономических инструментов – квадрантов, параллактической линейки, астролябии. На следующий год он написал «Малый комментарий о гипотезах, относящихся к небесным движениям» (De hypothesibus motuum coelestium a se constitutis commentariolus), однако публиковать трактат отказался и лишь тайно показывал его избранным друзьям. «Малый комментарий…» стал первой попыткой вынести на обсуждение астрономическую теорию, согласно которой Земля движется, а Солнце находится в покое. Астрономическая система Аристотеля и Птолемея, главенствовавшая в западной культуре в течение столетий, перестала устраивать Коперника. Он считал, что центр Земли – не центр Вселенной, а всего лишь центр орбиты Луны. Коперник пришел к убеждению, что наблюдаемые пертурбации в наблюдаемом движении планет – это результат вращения самой Земли вокруг своей оси и ее перемещения по орбите. «Мы вращаемся вокруг Солнца, как любая другая планета», – писал он в «Комментарии».
Птолемей с армиллярной сферой. Птолемея часто путали с египетскими фараонами и поэтому изображали с короной на голове.
Предположение, что центр Вселенной – не Земля, а Солнце, высказывал еще Аристарх в III веке до н. э., однако интеллектуалам и богословам больше импонировала геоцентрическая теория, так что всерьез ее никто, пожалуй, не оспаривал. Коперник благоразумно воздержался от обнародования своих воззрений и предпочел продолжать исследования, не привлекая к себе внимания, проводил математические расчеты, строил хитроумные чертежи и следил, чтобы его идеи не распространялись дальше кружка избранных друзей. Когда в 1514 году папа Лев X приказал епископу Фоссомбронскому узнать мнение Коперника о реформе церковного календаря, польский астроном ответил, что имеющихся знаний о движении Солнца и Луны на протяжении года недостаточно, чтобы даже задумываться о реформе. Однако задача, похоже, увлекла Коперника, поскольку впоследствии он написал папе Павлу III – тому самому, который поручил Микеланджело расписать Сикстинскую капеллу, – и рассказал ему о некоторых своих наблюдениях в соответствующей области, которые семьдесят лет спустя легли в основу григорианского календаря.
И все же Коперник боялся осуждения со стороны общества и церкви и долгие годы втайне расширял и дорабатывал свой «Комментарий». Результатом этих трудов стал трактат «О вращениях небесных сфер» (De Revolutionibus Orbium Coelestium), который Коперник завершил в 1530 году, однако воздерживался от публикации в течение 13 лет. Надо отметить, что нежелание обнародовать трактат было вызвано не только риском навлечь на себя проклятие церкви. Коперник во всем стремился к совершенству и считал необходимым постоянно проверять и пересматривать свои наблюдения.
Он по-прежнему выступал с лекциями о принципах планетной теории, в том числе и перед папой Климентом VII, который одобрил его труды. В 1536 году Климент официально потребовал, чтобы Коперник рассказал о своих теориях публично. Однако убедить Коперника выпустить «О вращениях…» в свет сумел лишь двадцатипятилетний Георг Иоахим фон Ретик из Германии, бывший ученик Коперника, который отказался от кафедры математики в Виттенберге ради возможности учиться у него. В 1540 году Ретик помог отредактировать рукопись и представил ее одному издателю-лютеранину в Нюрнберге, положив, в сущности, начало коперниканскому перевороту.