Estudià al seminari d’Adelberg (1584) i a la Universitat de Tübingen, on fou deixeble de Maestlin, defensor aferrissat de les idees copernicanes. El 1594 fou nomenat professor de matemàtiques de l’institut de Graz, i el 1596 publicà l’obra Prodromus dissertationum mathematicarum continens mysterium cosmographicum, en la qual intentava d’explicar la força que mantenien els planetes en llur òrbita entorn del Sol, i alhora introduïa conceptes neoplatònics per explicar la geometria celeste.
L’any 1600, a causa de les persecucions contra els protestants, Kepler hagué d’abandonar Graz i es traslladà a Praga, on treballà com a ajudant de Tycho Brahe. Aquesta col·laboració fou molt profitosa, perquè les nombroses i precises mesures fetes per Tycho permeteren més tard a Kepler d’establir les seves lleis del moviment planetari. A la mort de Tycho Brahe (1601), Kepler fou nomenat astrònom imperial per l’emperador Rodolf II. L’any 1609 publicà l’Astronomia nova.
L’any 1612, l’emperador Maties, successor de Rodolf II, el nomenà professor de matemàtiques de la Universitat de Linz, on publicà el cinquè llibre del De Harmonices mundi, que conté la tercera de les seves lleis. Kepler elaborà també unes taules de les posicions dels planetes, que, conegudes amb el nom de taules Rudolfines, foren publicades l’any 1627 a la ciutat d’Ulm, on s’havia retirat fugint de les persecucions religioses. El mateix any de la seva mort publicà Admonitio ad astronomos, on predigué que l’any següent Mercuri passaria davant el Sol i que, per tant, el planeta es projectaria com a punt negre davant el disc lluminós del Sol.
Durant la seva vida havia publicat alguns tractats d’òptica (Paralipomena, 1604, i Dioptrice, 1611), en els quals estudiava els sistemes òptics més convenients per a la construcció de telescopis.