Kepler werd geboren in Weil der Stadt, nabij Stuttgart, in het zuidwesten van Duitsland. Hij woonde 2 jaar bij zijn grootouders en op zijn vijfde verhuisde hij met zijn ouders, die hij maar immoreel en ruw vond, naar Leonberg. In 1584 werd hij student op het protestantse seminarie in Maulbronn. Vijf jaar later later ging hij theologie studeren aan de protestantse universiteit van Tübingen.

Hij volgde colleges wiskunde bij Michael Maestlin die een van de eerste aanhangers van Copernicus’ heliocentrische wereldbeeld was. In 1594 werd Kepler hoogleraar wiskunde en bleef dat tot 1600. In dat jaar moesten alle protestanten als gevolg van de contrareformatie zich bekeren tot het katholicisme of het land verlaten. Kepler vertrok naar Praag waar hij assistent werd van Tycho Brahe, die daar de keizerlijk wiskundige was.
 
Na de dood van Brahe werd hij benoemd als zijn opvolger en hij publiceerde een aantal belangrijke werken: in 1604 Astronomia pars Optica, over atmosferische lichtbreking, lenzen en de werking van het oog; in 1606 De Stella Nova over de nieuwe ster (supernova) die in 1604 een paar maanden aan de hemel had gestaan en in 1609 verscheen Astronomia Nova waarin de zijn eerste twee wetten werden beschreven. In 1610 maakte hij voor het eerst gebruik van een telescoop en publiceerde zijn observaties van de manen van Jupiter in Narratio de Observatis Quatuor Jovis Satellitibus. Dit boek, dat ook in Florence verscheen, betekende een enorme steun voor Galileo.
 
Na zijn dood vond in 1631 de door Kepler voorspelde venusovergang plaats, die echter door niemand werd waargenomen.