Die Familie Kopernikus gehörte zur Bürgerschaft der Hansestadt Thorn an der Weichsel und wohnte dort in der St.-Annen-Gasse. Der Vater, Nikolas Koppernigk, war ein wohlhabender Kupferhändler und Regierungsbeamter. Nikolaus war zehn Jahre alt, als sein Vater starb. Sein Onkel Lukas Watzenrode, der Bruder seiner Mutter, war der Fürstbischof von Ermland und sorgte für die Ausbildung der vier Waisen.

1509 schuf Kopernikus in Heilsberg im Ermland den Commentariolus, in dem er die Theorie von der Sonne als Mittelpunkt der Planetenkreise und der durch die Drehung der Erde scheinbaren Bewegung der Fixsterne aufstellte. Auch kündigte er in dieser Schrift eine mathematische Ausarbeitung seiner Theorien an. Diese Arbeit machte er nur Vertrauten zugänglich, um sich nicht dem Spott der Fachwelt auszusetzen, stellte er doch damit das seit 1300 Jahren unbestrittene geozentrische Weltbild des Ptolemäus in Frage. Es gilt inzwischen als gesichert, dass Kopernikus durch die heliozentrische Theorie des antiken Astronomen Aristarch von Samos entscheidend angeregt wurde.

1526 arbeitete er zusammen mit Bernard Wapowski an der Landkarte des Königreichs Polen und Litauens, 1529 verfertigte er mit Albrecht von Preußen eine Landkarte von Preußen. Das gesicherte Einkommen ermöglichte es ihm, sein "Hobby" Astronomie zu pflegen. 1539 kam Joachim Rheticus für zwei Jahre nach Frauenburg, um mit Kopernikus zu studieren. Am 8. April wurde in Frauenburg eine Sonnenfinsternis beobachtet.

Die Freunde des Kopernikus, besonders Bischof Tiedemann Giese, Schonberg und Dantiscus, versuchten jahrzehntelang, Kopernikus zur Veröffentlichung seiner astronomischen Arbeiten zu bewegen. Lange zögerte er damit, weil seine Berechnungen nicht durch genügend genaue Beobachtungen gestützt waren und deshalb eine Ablehnung durch das wissenschaftliche Establishment zu erwarten war.

Mit Georg Joachim Rheticus' Hilfe wurde schließlich 1540 die Narratio prima bei Rhode in Danzig gedruckt. Kurz vor seinem Tode im Jahre 1543 folgte dann im damaligen Hauptzentrum des Reiches in Nürnberg, Franken, die Veröffentlichung des Hauptwerkes De Revolutionibus Orbium Coelestium ("Von den Bewegungen der Himmelskörper").

Kopernikus war nicht der erste Wissenschaftler an der Wende zur Neuzeit, der ein heliozentrisches System in Betracht zog. Vor ihm wurde dieser Gedanke schon von Nikolaus von Kues, dem allerdings die Mittel für eine mathematische Ausarbeitung fehlten, und von Regiomontanus diskutiert, dessen früher Tod seinem Werk ein vorzeitiges Ende setzte. Es wird als gesichert angesehen, dass Kopernikus auf den Werken dieser beiden Wissenschaftler aufbaute.

Entgegen einer landläufigen Ansicht wurde die Propagierung des heliozentrischen Weltbildes zu Kopernikus' Zeiten keineswegs als Ketzerei angesehen, sondern allenfalls als Hirngespinst eines verwirrten Geistes. Immerhin schien ja das geozentrische System wesentlich besser mit dem gesunden Menschenverstand übereinzustimmen als eine sich bewegende Erde: Bei der Bewegung müßte man doch einen "Fahrtwind" spüren, fallende Gegenstände eine schräge Bahn besitzen, auch sollten die Fixsterne im Jahresverlauf eine scheinbare Kreisbewegung ausführen, argumentierten die Gegner des Kopernikus mit der Lehre des Ptolemäus. Theologische Spitzfindigkeiten, die sich auf Bibelstellen stützten, wurden zunächst von Martin Luther angeführt. Die Katholische Kirche, der Kopernikus angehörte, hielt sich mit einer Stellungnahme zurück. Eine Verfolgung durch die Inquisition hatte Kopernikus also nicht zu befürchten.

Kopernikus konnte die (scheinbaren) physikalischen Widersprüche nur durch neue Hypothesen entkräften, auch war sein Rechenmodell im Grunde nicht genauer als das des Ptolemäus, lieferte aber wegen aktuellerer Ausgangsdaten bessere Ergebnisse.

Nachdem das Werk des Kopernikus zunächst als reines Rechenmodell verwendet wurde, konnte schließlich Galileo Galilei die Vereinbarkeit einer sich bewegenden Erde mit den Beobachtungen physikalisch nachweisen. Johannes Kepler fand mit den ellipsenförmigen Planetenbahnen das korrekte mathematische Modell und Isaac Newton lieferte mit dem Gravitationsgesetz schließlich die physikalische Begründung für das heliozentrische Weltbild und damit die endgültige Bestätigung von Kopernikus.

Das heliozentrische Weltbild wird zu Kopernikus Ehren auch das "Kopernikanische Weltbild" genannt.