1572年11月11日，秋夜明朗，星空灿烂。第谷趁着大好时机，勤奋工作，持续观察。天空中突然出现了一颗明亮的星。以前从未发现过这颗星，现在却出现在仙后座，异常明亮。第谷惊讶了，因为传统的亚里士多德的观点认为星空是完美不变的。他于是跟踪观察这颗星，废寝忘食，夜以继日。这颗亮星竟然一天比一天亮，成为天空最亮的星，比金星还要耀眼。到白天阳光明媚时依然能见到这颗亮星，直到一年多之后，这颗奇怪的星才消失了。
第谷发现这颗星没有运动，所以认为是一颗恒星。第谷发明了用“新星”一词来说明这种星，他还估算出这颗星十分遥远。直到现在，人们还沿用第谷发明的词来称呼这种现象。其实，第谷观测到的是恒星转变过程的一个环节。恒星也有生有死，有形成有毁灭。恒星到了晚期，在就要衰灭之前，会有一段时期的剧变，导致其光芒大增，这就是超新星。为了纪念第谷，人类科学史上明确观察的第一颗超新星便被命名为“第谷新星”以前的古籍即使有记载，也不是科学意义上的发现和观测。
1577年，第谷观测了当时的一颗大彗星。他证明了这颗彗星在月球之外，至少是地球到月亮距离的3信。这个看法又致厅了流行的亚里士多德观点，亚里上多德认为，彗星是大气现象，是月下世界所发生的事情。第谷进一步还指出，彗星穿越行星天空。这样一来，希腊宇宙论中的水晶天球概念就被动摇了。因为彗星的穿越而打破了固定的一层层轨道。但第谷内心是不愿意打破地心说体系的，他提出了一个折中体系，没有进一步探讨彗星轨道的自然原理。保守的世界观阻碍了科学规律的发现。例如，恒星没有视差本来有两种可能：一种是恒星过于遥远，一种是地球根本不动。第谷宁可相信地球静止不动，也不愿打破神学结合的地心说而思考前一种可能。
尽管如此，第谷还是取得了惊人的成就，他提出的折中体系就承认五颗行星绕太阳运动。这一点和哥白尼的思想不谋而合。第谷的观测推动了历法改革。1582年，更改了多年来使用的儒略历，须行了格里高里历，就是建立在第谷的工作之上的。第谷还发现了黄赤交角的变化，月球运动的二均差。他的观测还直接导致了世界最先进星表的绘制。
1588年腓特烈二世去世了，新任国王克里斯蒂安与第谷不和。因为第谷在平常生活中脾气不好，常与人争强好胜，而且他的贵族出身也使他免不了带有骄傲自大的毛病。1597年，第谷失去了皇家资助。德国国王鲁道夫二世邀请第谷到布拉格，就这样，第谷搬往布拉格，带走了全部仪器和资料。由于落后的世界观，第谷虽然积累了大量足以发现震惊世人的规律的资料，但却没能从中发现真正的星空规律。而这一切，被他的学生和助手开普勒完成了。
第谷与开普勒的合作堪称佳话。第谷虽然很傲慢，但当他在布拉格想寻找助手时，收到了一个平凡不闻名的青年的著作《宇宙的奥秘》。他很欣赏青年的科学精神和事业心，同时被青年的信所打动，于是二人在一起密切合作了。这个不出名的青年就是开普勒。他二人信奉的观念不同，第谷信奉地心说，开普勒信奉日心说，但却在工作上合作无间。
第谷毫无保留地把珍贵资料全给了开普勒，并委托开普勒编制行星运行表。1601年10月24日，第谷因病去世，他喃喃地说：“我多么希望我这一生没有虚度呀！”