哥白尼出生在波蘭託倫城聖阿娜巷的一個商人家庭裡。父親本是克拉科夫的商人，後來遷居託倫，由於經商致富，被委任為託倫市市長。母親是該城一位富商的女兒。當炎夏來臨的時候，父親為調劑其忙碌的生活，常去鄉下葡萄園體假。
他除了帶上自己的家屬之外，還邀請城裡的各界名人。這些通曉文藝、音樂的社會人土在哥白尼家裡談笑風生，海闊天空。他們講述了許許多多有趣的故事，上至天文，下至地理。他們的談話都在哥白尼的腦海裡留有深刻的印象，為哥白尼埋下了知識的種子。10歲那年，父親去世了，從此哥白尼的家庭和生活發生了很大的變化。他被送到舅父那裡去撫養。舅父為了把外甥培養成人，便把他送到自己主辦的教會學校去讀書。哥白尼18歲進入克拉科夫大學學習，在這裡，他接受了數學和天文學的教育。克拉科夫當時是波蘭的首都，也是波蘭人文主義者的集中地。
當時，經院學派和人文主義學派關於天文地理的各種問題經常展開激烈的爭論。波蘭著名數學家和天文學家布魯斯基對古希臘天文學家、數學家託勒密的「地心說」體系提出了異議。作為哥白尼的老師，布魯斯基的這些見解對哥白尼產生了重大影響，哥白尼也開始考慮地球及太陽的運轉問題，並抱定獻身天文學研究的志願。在校期間，哥白尼研讀了託勒密的著作，看到了託勒密的科學研究和錯誤結論之間的矛盾。這使哥白尼認識到，天文學的發展不應僅停留在「修補」舊說之上，而應該發現宇宙結構的新學說。哥白尼的「日心說」可以說就是在這時孕育起來的。
1496年，當時已任埃爾梅蘭城大主教的舅父派哥白尼去義大利學習教會法規。在波洛尼亞大學讀書期間，哥白尼結識了義大利知名的天文學家多米尼克。他們共同研究月球理論，開始用實測得到的科學數據說明人們所信奉的託勒密學說與客觀現象之間的矛盾。1497年3月9日，他們進行了次著名的月食觀測，哥白尼將天文觀測到的現象記錄下來：月球遮掩金牛座。研究結果證明，月食並非如託物密所說的那樣是月球體積的縮小這可以說是哥白尼針對託物密「地心說」理論取得的初步勝利。
1506年，哥白尼從義大利返回波蘭。他一方面協助舅父料理教區事務；另一方面利用這段充裕的時間，來整理他在義大利學習期間所搜集的大量資料，總結他的研究成果。隨後，哥白尼以主教醫生的名義，留在舅父身邊長達6年的時間。在這6年中，哥白尼開始寫《天體運行論》一書的初稿。1512年，舅父因病去世了。從此哥白尼就到舅父所在的弗洛恩堡大教堂任職。弗洛恩堡大教堂建在波羅的海海濱的小丘上，教堂的周圍建有堅固高大的城牆，牆上有座箭樓，哥白尼就住在箭樓裡。這裡既是他的宿舍，又是他觀測天象的天文臺。後來人們為了紀念哥白尼，把這座箭樓稱為「哥白尼塔」和天文學的聖地。
哥白尼利用自已製造的似器，在這座小小的天文臺上進行實踐活動。他所觀測的內容有月食、月亮中天的高度、月掩星、行星對於背景恆星的方位等。儘管他所使用的儀器是簡陋的，準確度也不夠高，但是他卻從來沒有因此而放鬆過觀測。他提出的新天文學理論，是建立在自己觀測得來的數據基礎之上的。
他還把希臘和阿拉伯天文學家觀測的數據當作參考資料，在參考時都作番考訂校勘的工作。這項工作是複雜而艱巨的。就這樣，哥白尼在這座塔上艱苦地工作了30年，整理出了他畢生的研究成果《天體運行論》。