Свою научную деятельность, начатую в Дании, Тихо Браге посвятил наблюдениям неба. Двадцать третьего мая 1576 года специальным королевским указом Тихо Браге был пожалован в пожизненное пользование остров Вен, расположенный в проливе Эресунн, и крупные суммы на постройку обсерватории и ее содержание. Это было первое в Европе здание, специально построенное для астрономических наблюдений. Тихо назвал свою обсерваторию «Ураниборг» («Небесный замок»). Там он с 1577 по 1597 год ежедневно проводил многочисленные наблюдения за небесными светилами.
В 1597 году пребывание ученого на острове Вен заканчивается. Новый король Дании — Кристиан IV лишает Тихо финансовой поддержки и запрещает заниматься астрономией как наукой, не приносящей выгод короне. После непродолжительного пребывания в герцогстве Гольштейн Браге перебирается в Прагу, где становится придворным математиком и астрологом Рудольфа II — императора Священной Римской империи.
В то время астрономия и астрология были понятиями едва ли не равнозначными. Дворяне почитали своим долгом самолично составлять гороскопы, опираясь на весьма скудные представления о законах движения небесных тел. Тихо Браге всю жизнь занимался гороскопами. Однако, в отличие от многих, он хорошо понимал неэффективность звездных прогнозов, составленных по неточным астрономическим таблицам, поэтому много лет посвятил скрупулезному вычислению положений небесных тел.
Большинство инструментов Тихо Браге сделал сам. Ему удалось добиться высокой точности на инструментах без оптических приспособлений. Небывалой точности наблюдений он добился не только увеличением размеров инструментов (наибольшим был шестиметровый квадрант), но и разработкой новых методов наблюдений. Его «большой стенной квадрант» для измерения угловых расстояний на небе был не только революционным для того времени прибором, но и настоящим произведением искусства. Любопытно и странно, что после смерти большинство инструментов, созданных под руководством великого астронома, было уничтожено.
Тихо Браге составил новые точные солнечные таблицы и уточненный каталог 800 звезд. Он открыл две новые неравномерности («неравенства») в движении Луны, периодическое изменение наклона лунной орбиты к эклиптике, а также изменения в положении лунных узлов. С именем Тихо Браге связаны наблюдение сверхновой звезды в созвездии Кассиопеи 11 ноября 1572 года и первый обоснованный наблюдениями вывод о внеземной природе комет.
Браге определил точное значение величины медленного перемещения точек весеннего и осеннего равноденствия навстречу видимому годичному движению Солнца, длину года с ошибкой менее секунды, а по его таблицам положение Солнца находилось с точностью до одной минуты, тогда как прежние таблицы давали ошибку в 15–20 минут.
Тихо Браге предложил свою геогелиоцентрическую систему мира, которая представляла собой комбинацию учений Птолемея и Коперника. Он считал, что Солнце вращается вокруг неподвижной Земли, а все остальные планеты — вокруг Солнца.
Узнав о гонениях на Иоганна Кеплера, Браге пригласил его к себе. Немецкий ученый прибыл в Прагу в феврале 1600 года, а в следующем году Тихо Браге неожиданно умер, проболев всего 11 дней. По приказу императора великий датский астроном был похоронен с рыцарскими почестями в пражском Тынском соборе.
О жизни известных личностей всегда возникают легенды, как правдивые, так и выдуманные. Тихо Браге не является исключением. Одной из легенд, которую до сих пор рассказывают пражские гиды, является история об обстоятельствах его смерти. Якобы Браге умер от разрыва мочевого пузыря, и случилось это на пиру у Рудольфа II, поскольку при дворе было не принято вставать из-за стола раньше, чем монарх. На самом деле причиной смерти Тихо Браге была уремия — отказ почки, и как последствие — отравление организма из-за проникновения мочи в кровь.
Другая легенда — что у Тихо Браге не было кончика носа, и, чтобы прикрыть изъян, он установил на нос протез, сделанный из сплава золота и серебра. Легенда правдива — кончик носа Браге потерял на дуэли.
Женой Браге была Кирстен Йоргенсдаттер, женщина незнатного происхождения. Тихо и Кирстен так и не повенчались в церкви, фактически их связывали узы гражданского брака. Тем не менее ни сама Кирстен, ни их дети не могли наследовать имущество Браге без специального разрешения датского короля. Браге потратил немало времени, пытаясь получить такое разрешение, а также согласие короля на то, чтобы сыновья стали после его смерти владельцами Вена. Но Фредерик II так и не успел подписать постановление, а сменивший его Кристиан IV отказался это сделать.
Рудольф II дал Браге то, что имело в его глазах чрезвычайно высокую цену: его жене и детям было даровано дворянство. Сыновья Браге стали богемскими помещиками, его младшая дочь вышла замуж за барона, средняя — за видного дипломата. Не повезло только старшей — ее соблазнил один из учеников Браге.
Прах Браге и его возлюбленной жены Кирстен покоится в храме Девы Марии перед Тыном, а его рукописи в подлиннике — в Национальной библиотеке Клементинум. Говорят, по ночам возле его надгробия в Тынском соборе можно увидеть таинственное свечение.
В Праге записи астрономических наблюдений Браге попали в руки человека, который мог воспользоваться ими как нельзя лучше. Это был учитель математики Иоганн Кеплер (1571–1630), протестант по вероисповеданию, изгнанный из школы в католической Австрии, где он раньше преподавал. В 1596 году Кеплер опубликовал книгу
Чешский дворянин Валленштейн (Вальдштейн) — герой Тридцатилетней войны. Он дослужился до герцогства, но был убит не на поле брани, а как подозреваемый императором в государственной измене — так и было предсказано Кеплером.
Последней крупной работой Кеплера стали задуманные еще Тихо Браге планетные таблицы, опубликованные в Ульме в 1629 году под названием «Рудольфовы таблицы»