Anyja keltette fel az érdeklődését a csillagászat iránt: megmutatta neki az 1577-es üstököst és az 1580-as holdfogyatkozást.
1591-ben teológiát kezdett el tanulni Tübingenben. Itt az egyetemen hallott először Kopernikusz heliocentrikus világképéről. Kepler eredetileg protestáns lelkész szeretett volna lenni, de matematikai tehetsége olyan ismert volt, hogy 23 éves korában 1594 áprilisában meghívták a Grazi Egyetemre matematikát és csillagászatot tanítani.
Az 1596-ban kiadott könyvében, a Mysterium Cosmographicumban Kepler az akkor ismert hat bolygó pályáját az öt platóni testtel hozta kapcsolatba. Úgy gondolta, hogy az egyes bolygópályák gömbjei között a kocka, a tetraéder, az oktaéder, a dodekaéder és az ikozaéder tartja a távolságot. Ebben a művében jelenik meg az a gondolat, hogy a bolygókat egy a Napból kiáradó erő tartja pályájukon. Ezt azzal indokolta, hogy ez az erő a Naptól távolabb gyengébb, ezért mennek lassabban a távoli bolygók. Ez az első eset, hogy valaki a bolygók mozgását valamilyen fizikai hatással próbálta magyarázni.
Kepler 1600-ban lett Tycho Brahénak, II. Rudolf császár udvari csillagászának segédje. 1601-ben Brahe halála után Kepler lett az udvari matematikus és csillagász.
1604-ben megfigyelte a fényes szupernóvát, és benyomásait a A Kígyótartó lábában megjelent új csillagról című könyvében jelentette meg. Kepler felhasználta Brahe megfigyelési adatait és kimutatta, hogy a Mars pályája nem kör, hanem ellipszis, aminek egyik gyújtópontjában van a Nap (Kepler első törvénye). Megfigyelte azt is, hogy a bolygók a pályájukon a Naphoz közelebb haladva gyorsabban mozognak, mint távol. A megfigyelésekből levezette, hogy a bolygók vezérsugara azonos idők alatt azonos területet súrol (második törvény). A két törvényt az 1609-ben megjelenő Új csillagászat című művében közölte.
Kepler egyik legjelentősebb műve az 1611-ben megjelent Optika volt, melyben az optikát tudományos szinten tárgyalta. Ebben írta le az általa feltalált Kepler-távcsővet, de írt a fénytörésről és a lencsékkel történő leképezésről is. Ez utóbbival megmagyarázta a szemüveglencsék működését. Leírta a szem működését, és tárgyalta a látáshibákat.
Élete vége felé, 1627-ben adta ki Kepler Rudolf-féle táblázatok-at, élete utolsó nagy művét. Ez a bolygótáblázat szolgált később alapul Kepler törvényei mellett Isaac Newton számára, hogy megalkossa a gravitációs és mozgástörvényeit.
1630. november 15-én, 58 éves korában halt meg, Regensburgban.