Nació en Knudstrup, ciudad del sur de Suecia que por entonces pertenecía a Dinamarca. En las universidades de Copenague (Dinamarca) y Léipzig (Alemania), estudió Derecho y Filosofía. Al mismo tiempo, pasaba las noches observando la bóveda celeste. Fue así como encontró graves errores en las tablas astronómicas.

Sus observaciones le permitieron descubrir una estrella supernova en la constelación de Casiopea en 1572. Dio cuenta de este descubrimiento en su obra De Nova Stella, en donde se refiere a ella como “una nueva estrella, no vista previamente según el recuerdo de todas las edades desde el principio del mundo”. Él mismo relata el momento del descubrimiento con estas palabras: “De acuerdo a mi costumbre, estaba contemplando las estrellas en un cielo despejado, cuando observé que una estrella nueva y extraordinaria, que sobrepasaba a las demás en brillo, resplandecía casi directamente sobre mi cabeza; y ya que yo tenía conocimiento perfecto, casi desde mi niñez, de todas las estrellas del cielo —no hay gran dificultad para lograr tal conocimiento—, era enteramente evidente para mí que en ese lugar del cielo nunca antes hubo ninguna estrella, ni siquiera la más pequeña ni mucho menos, una tan notablemente brillante como ésta.” El rey Federico II de Dinamarca le ofreció costear los fondos necesarios para la construcción de un observatorio astronómico en la isla de Ven. En 1576 comenzaron las obras del castillo de Uraniborg, donde Brahe proseguiría sus estudios y observaciones. Pero cuando falleció el rey, en 1588, su sucesor le retiró la ayuda económica y tuvo que abandonar el observatorio.

En 1597, fue invitado por el emperador Rodolfo II a instalarse en Bohemia, con una pensión para cubrir sus gastos y un feudo cerca de Praga. El proyecto incluía la construcción de un nuevo observatorio, que no pudo ser terminado antes de la muerte de Brahe, acaecida en 1601.  

Brahe estudió la cosmología de Copérnico pero no adhirió a ella plenamente. Más bien buscó combinar los sistemas de Copérnico y Ptolomeo. Ello lo llevó, hacia 1583, a proponer un nuevo sistema, distinto tanto del geocéntrico como del heliocéntrico; un sistema que conservara el Principio Ptolemaico de la Inmovilidad de la Tierra y que admitiese, a su vez, que el resto de los planetas giran alrededor del Sol. Según él, los planetas giraban alrededor del Sol, y éste, junto a ellos, giraba alrededor de la Tierra. Por su parte, la esfera de las estrellas giraba una vez al día alrededor de la Tierra, la cual permanecía inmóvil.

De los datos que Brahe obtuvo de sus observaciones —destacados por su precisión—, se valieron muchos astrónomos posteriores, en especial quien fuera discípulo suyo durante el último año de su vida, Johannes Kepler. Se dice que él solo reunió más información que todos los demás astrónomos anteriores al telescopio juntos. Identificó más de 700 estrellas. Su teoría, que generaba menos problemas políticos y religiosos pero más dificultades astronómicas, no tuvo gran repercusión y perdió pronto toda posibilidad de competir con el heliocentrismo. De todos modos, fue un paso intermedio para los astrónomos que, habiendo perdido toda confianza en el sistema de Ptolomeo, no se animaban aún a adoptar el de Copérnico.

Su espíritu observador y punzante, al mismo tiempo que trabajaba por la renovación de la Astronomía, cobijaba concepciones medievales e incluso babilónicas. Según estas últimas, por ejemplo, señaló como causa de la peste que azotó Europa en 1563 la conjunción de Saturno y Júpiter.