哥白尼兄弟俩终于等来了一笔相当可观的钱款，然而，当他们得知这笔钱不是他们继续学习的费用，而是他们返回弗龙堡神甫会的路费时，他们的惊讶和失望可想而知。他们不慌不忙地踏上了返回祖国的途程。即使是这样，他们的学习也还算是拖迟了一年，因为原准备让他们在博洛尼亚学习3年。1501年7月28日，哥白尼兄弟俩回到了弗龙堡神甫会，但他们心里仍然期待能再次获得继续学习的机会。经神甫会研究，认为安杰伊适于继续学习，于是为他延长了用于学习的休假时间。而尼古拉，肯定是依靠舅舅的帮忙，也得到神甫会许可，再去学习两年医学，但有一个条件，那就是学完后要担任主教和弗龙堡神甫会神甫的专职医生。
哥白尼在国内短暂逗留以后，又踏上了他熟悉的通向意大利的道路。他必须赶在大学新学年开学之前到达意大利。要学医，本来在国内到克拉科夫去也行。但哥白尼十分热爱充满阳光的意大利和意大利的文化。他喜欢从人文主义的发源地获取知识。他选择了当时欧洲最有名的帕多瓦大学就渎，许多著名医学专家在这所大学任教。法国蒙彼埃大学从13世纪在欧洲也享有类似的声望，但当时学医学的学生大多还是愿意到意大利去，向往这人文主义的故乡。哥白尼兄弟俩相互作伴几年之后，此次到意大利开始分道扬镳：尼占拉前往帕多瓦，而安杰伊则直奔罗马。
1503年5月31日，哥白尼参加了他一生中的最后一次考试。他首先宣读了博士论文，然后从自己的科学监护人、学位授予人安东尼厄斯·莱夫图斯教授手中接过一本书，表示要把所学的知识永远铭记在心。然后，学位授予人将这本书打开、以示考生迄今所学的知识是不够的，应该继续深入学习，以丰富所学的知识。紧接着是给哥白尼戴上一顶教士四角帽，同时把一枚象征思想和行为纯洁的金戒指戴到哥白尼的手指上。最后一项活动是象征和平与和睦的亲吻。最后这个亲吻大概是从授权或封地仪式上学来的。考试委员会主席一般是由担任助理教务职位的主教担任，他用最庄重的话语对毕业文凭给予肯定。于是哥白尼的这段学习以获得教会法法学博士学位宣告结束，就这样他履行了享受弗龙堡神甫会助学金所承担的义务。
接受学位的仪式结束以后，哥白尼返回帕多瓦继续学习医学。这时他有了更多的时间用于医学、天文学和语言学的学习，再也不用为法律学习而分心了。他可以更深入地钻研古代哲学家和天文学家的论著，更深入地推敲他们提出的观点了。
在意大利生活期间，哥白尼进行了大量枯燥的计算工作，反复核算了各种历法。出于编制历法的需要，他观察并记录了大量天象材料。在克拉科夫学院学习期间，哥白尼已经掌握了计算时间和推算日历的繁琐技术，在意大利大学学习期间，随着数学知识的增长，他进一步完善了自己的计算技术。
从古希腊和古罗马开始，哲学家和天文学家们开始关注宇宙的奥秘。他们认为日月星辰都在做圆周活动。学者欧多克斯、亚里士多德、阿波罗尼、喜恰帕斯一点点地将古人的理论向前推进，一直到托勒密提出“地心说”。
哥白尼不辞辛劳地阅读了大量的古典作品，发现曾有人提出过“日心地动说”，他就是阿利斯塔克。这位古希腊的伟大学者在天文学史上第一个明确提出了太阳是宇宙的中心和地球围绕这一中心运动的精辟见解，他还是天文学史上第一个试图测定太阳和地球与月亮和地球之间相对距离的人。
阿利斯塔克说：太阳是宇宙的中心，地球和行星都以这个中心做圆周运动，地球每天绕轴自转一周，每年沿圆周绕太阳公转一周，从而产生天体的周年变化和周日变化。
阿利斯塔克等人的理论和思想，对于哥白尼的日心说理论起了重要的启发作用。哥白尼说：“我对传统天文学在关于天球运动的研究中的紊乱状态思考良久。”
“我不辞辛苦重读了我所能得到的一切哲学家的著作，希望了解是否有了提出过与天文学教师在学校里所讲授的不相同的天球运动。”
哥白尼为自己从古希腊罗马哲学和天文学家中找到了创立宇宙结构理论新体系的理论假设而欢欣不已，并深受鼓舞，他创立宇宙结构理论新体系的信心和力量进一步增强了。
但他深深懂得，古人们的哲学思想和对宇宙的认识只是一种天才的猜测和理论上的推论，要把这种天才的猜测变成现实，在推论的基础上建立系统的科学理论体系，还须进行大量的天文观测和艰苦的理论论证工作。
哥白尼为了给自己将要创立的宇宙结构理论新体系打下基础，首先对宇宙和大地的开头进行了进一步的探索和论证。
在哥白尼之前，人类对大地形状的认识有两种不同的观点。公元535年，有人按照教皇的旨意，编造了《基督教宇宙地形学》一书，散布说宇宙是一个类似长方形的箱子，方形的箱底是大地，它有四个角，圆形而又隆起的盖子为天空，它固定在箱子的四壁上。天空的上方是天海，天海的上方是“天国”，这就是当时占统治地位的宗教神学对大地和宇宙开头的描述。
与此相反的观点早在古希腊就存在了。毕达哥拉斯学派明确指出：球形的大地悬挂在空中，并且围绕周围旋转，月光不是月球的自发光，而是太阳的反射光，这是古人的天才而大胆的创见。以后亚里士多德从理论和实践中得出了大地是球形的看法，但却认为球形的大地为宇宙的中心，而且是静止不动的，这些观点大都被基督教神学所借用，并成为宗教神学统治人们思想的理论武器。
哥白尼在对前人的认识和理论进行研究探索的基础上，对大地形状问题从几个方面展开了令人信服的论证。他说：“对于一个从任何地方向北走的旅行者来说，周日旋转的天极渐渐升高，而与之相对的极以同样数量降低。在北天的星星大都不下落，而在南面的一些星永不升起。在意大利看不到老人星，在埃及却能看到它。在意大利可以看见波江座南部诸星，而在我们这里较冷地区就看不到。”而“对一个向南行的旅行者来说，这种情况正相反”，“除非大地呈球形，情况就不会如此”。他还谈到：“东边的居民看不见我们这里傍晚发生的日月食，至于中午的日月食住在我们东边的人看起来比我们要晚一些，而西边的人早一些。”他还进一步说明：“航海家已经知道，大海也呈同样形状。这是因为在甲板上还看不见陆地的时候，在桅杆顶端却能看见它。从另一方面说来，如果在桅顶上放一个光源，当船驶离海岸的时候，留在岸上的人就会看见亮光逐渐降低，直至最后消失，好像在沉没。”
“不仅如此，地球在不停地运动。之所以有白天和黑夜之分，是因为地球的自转；有一年又一年的区分，是因为地球的公转，即地球绕着太阳旋转。”
在意大利留学期间，哥白尼不仅完成了法律、医学、神学、数学及希腊文、拉丁文的学业，而且通过多位教授的指导和朋友的帮助，重读古希腊罗马著作，并经过长时间的天文学理论研究和天象观测之后，基本上搞清楚了地球的形状和地球的运动问题，进而开始涉及研究地动说的重点即地球在宇宙中的位置等问题。这就把创立地动日心理论体系的研究又向前推进了。
天体运行论
从1496年到1503年，哥白尼从一个二十来岁的大学生转变成一个成熟的青年学者。7年的留学生涯，是哥白尼一生的重要岁月。7年中，他参加了罗马教廷因百年盛典而举行的宗教游行和20万信徒跪在圣彼得大教堂前接受教皇祝福的仪式，耳闻了罗马教廷和各地教会的荒淫腐败、独断专横，目睹了教会势力对异教徒的残酷迫害。7年中，哥白尼深受文艺复兴运动的熏陶，并成为坚定的人文主义者，通过重读古希腊罗马著作，找到了一生将为之奋斗的火种。特别是通过这7年，哥白尼打下了坚实的天文学基础，并对天文学所涉及到的各个方面都有钻研，长久酝酿的新体系——日心说理论——的轮廓已在心中形成，人文主义的世界观业已树立。为报答祖国，用所学的知识为同胞服务，为使心中的理论轮廓最终变成现实，他整整花了40年，这是他后半生的全部时间。
1503年，正当哥白尼在帕多瓦大学潜心医学的攻读、准备申请学位时，法国入侵意大利的战争爆发。意大利北部地区硝烟弥漫，战火遍地，正常的生活被战争搅得一团糟，人们无家可归。哥白尼不得不终止未完成的医学学位的学习，准备离开意大利，回到阔别7年的祖国——波兰。
地动日心说理论在哥白尼心中酝酿了好久，犹如破壳待出的小鸡，躁动不已。工作之余静下来，望着那遥远朦胧的天际思考，他一再告诫自己，宇宙理论新体系，不仅是科学理论的突破，而且是人类宇宙思想的根本变革，一定要作好最充分的理论论证，一定要有最真实系统的天文观测资料，让天文事实说话，这样才能使自己的宇宙理论新体系站稳脚跟，在人们的心中扎下根来。在空闲时间或在万籁俱寂的深夜，他苦苦攻读着先哲们的著作，领悟他们的思想，推敲他们留下的只言片语，反复测算核对他们留下的各种天文观测数据。哥白尼还时常用自己亲手制做的“三弧仪”（用于测量行星距离），“象限仪”（测定太阳中天时的高度）和“三角仪”（测量天体在天空任何处的高度）等天文仪器进行天文观测和数据核算。
从意大利学成回国，已在各方面为宇宙理论新体系的建立打下深厚牢固基础的哥白尼，虽一直处在紧张忙碌的教俗行政事务中，但大脑里一直萦绕着如何突破托勒密地心说体系这个重大问题。地心说理论已破绽百出，根本解释不清一系列客观事实和观测数据，不能让这种与客观实际不符的学说继续占据人们的心灵。哥白尼决定要尽快把自己的研究发现、论证说明和许多新的观测资料与更为准确的数据加以系统地总结归纳，以告诉自己熟知的天文学家和可信赖的朋友们。
这么重要的计划和打算，肯定要花费更多的精力和时间，哥白尼曾几次婉转地向舅舅提起过自己的天文学研究计划，希望得到舅舅的支持和帮助。瓦兹洛德主教虽没明确表示反对，但却流露出深深的伤心和失望。以他多年在政治上的纵横捭阖，机敏强干，他更热心于帮助博学能干的外甥在波兰政坛上耀眼升腾。以他在教会任主教20多年的经营和付出的心血，他更期待着哥白尼能成为自己的继承人。他知道，哥白尼现在虽然进行的是学术研究，但却与教义和正统理论相违背，倘若一旦公开，势必会被教廷戴上异端邪说的帽子而受到严厉惩处，甚至会有生命危险。哥白尼所从事的研究虽然伟大崇高，但那是一条充满荆棘和陷阱、危机四伏、看不见希望的路啊！
1510年秋，哥白尼离开了主教官邸利兹巴克城堡，来到瓦尔米亚神甫所在地弗龙堡，作为一名神甫正式在这里住了下来。
弗龙堡给了哥白尼时间和天地，使他又一次获得条件在浩翰无际的宇宙中遨游。每当无云的夜晚，哥白尼总是习以为常地爬上他的观象台，进行细心的观测和记录。他每天站在这观象台上探测着，思索着。“太阳中心说”的新理论，在他脑海中已经有了初步的轮廊。
哥白尼观测的内容十分广泛，对日食、月食、火星冲日、金星冲日、木星冲日、黄赤交角、春分点移动等多种天象都作了观测，并作了准确的记录。哥白尼进行观测的仪器，有一些是蒂德曼·吉斯帮助购买的，但大部分都是他亲手制作的，比起我们今天所用的观测仪器不知要简陋多少倍，但是哥白尼的一些观测结果却惊人地准确。如他用数学对观测数据进行处理，得出一年时间长度为365天6小时9分40秒，比现在的精确值仅差28秒；他得到的月亮到地球的平均距离是地球半径的60.30倍，现在的精确值为60.27倍。
经过了数不清的观测，哥白尼得到了许多新发现，为他的“日心说”提供了大量有价值的材料。
1510年底，哥白尼终于完成了以书信形式撰写的第一篇天文学论文。论文篇幅不大，概述了哥白尼日心地动说的主要内容。论文的首句就是“尼古拉·哥白尼浅说自己提出的关于天体运动的假设”，这篇论文没有专门标出题目，它的题目就是论文的第一句话，即《浅说关于天体运动的假设》，简称《浅说》或《要释》。
哥白尼在《浅说》中，用要点方式概括地阐述了他的日心说的基本思想：
一、宇宙中不存在一个所有天体及其轨道的共同中心点。
二、地球的中心不是宇宙的中心，只是重心和月球轨道的中心。
三、所有天体都围绕作为自己中心点的太阳运行，因此，太阳位于宇宙中心附近。
四、地球到太阳的距离与众恒星所在的天穹高度之比，就如同地球半径与地球到太阳的距离之比一样渺小。因此，地球到太阳的距离与天穹高度之比是微不足道的。
五、人们看到天空中的所有运行，都不是由天穹本身产生的，而是由地球绕其自转轴每天旋转一周造成的。
六、使人们感觉到太阳在运动的一切现象，都不是由太阳的运动产生的，而是由地球及其大气层的运动造成的。
七、人们看到的行星向前运动或向后运动，都不是行星自身的运动，而是由地球自身运动使我们产生的错觉。