Nacque nel 1546 a Knudstrup, in Danimarca, da una ricca famiglia. Studiò a Copenhagen e in Germania, e a 25 anni installò un osservatorio nel castello di uno zio. Ciò che lo pone di diritto fra i padri fondatori della scienza moderna è il minuzioso puntiglio con il quale costruì strumenti di misura degli angoli che permettevano anche di stabilire il livello di accuratezza delle proprie misure.
Nei successivi 20 anni egli compì osservazioni molto precise e metodiche delle stelle e dei pianeti.
Keplero disse di lui che "la bontà divina ci ha dato in Tycho Brahe un diligentissimo osservatore". Brahe non era un teorico, e di fronte all'impossibilità di interpretare le proprie osservazioni col sistema tolemaico, propose un sistema misto, in cui la Terra era al centro dell'Universo, il Sole girava intorno ad essa e i pianeti attorno al Sole. La precisione delle osservazioni visuali di Tycho Brahe (precise entro due minuti d'arco) è stata determinante nella storia della scienza: se esse fossero state meno accurate, Keplero non avrebbe mai potuto riconoscere la differenza fra un'orbita circolare ed una ellittica (l'eccentricità delle orbite planetarie è modesta) e quindi giungere alle sue leggi, e senza le leggi di Keplero Newton non sarebbe probabilmente arrivato alla sua opera di sintesi.

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