Di famiglia nobile, studiò dal 1559 a Copenhagen e poi a Lipsia, coltivando l'astronomia in segreto. Nel 1565 entrò all'Università di Rostock e nel 1568 a quella di Basilea. Nel giardino del console di Augsburg realizzò nel 1570 il suo primo grande quadrante astronomico. Tornato in Danimarca, nel 1572 misurò la parallasse diurna della brillante stella apparsa nella costellazione di Cassiopea. Nel De nova stella (Copenhagen, 1573) Brahe spiegò che, data l'assenza di parallasse, la nova non era un fenomeno atmosferico, come ritenuto dai filosofi aristotelici, ma si trovava oltre Saturno, nella sfera delle stelle fisse. Nel 1575 Brahe intraprese un lungo viaggio fino a Venezia. Rientrato in patria ricevette dal re Federico II di Danimarca (1534-1588) l'incarico di realizzare un osservatorio sull'isola di Hveen. Durante i lavori di costruzione, comparve nel 1577 una grande cometa. Come nel caso della nova, la ridotta parallasse diurna portò Brahe a stabilire che nemmeno la cometa era un fenomeno atmosferico, bensì un corpo celeste in moto attorno al Sole. La conclusione incrinava il sistema tolemaico: nel suo moto circumsolare la cometa del 1577 avrebbe dovuto attraversare le sfere cristalline di Mercurio, di Venere, del Sole e di Marte. Completato a Hveen l'osservatorio di Uraniborg, Brahe infranse definitivamente il sistema tolemaico osservando che Marte in opposizione era più vicino alla Terra del Sole. Assertore dell'immobilità della Terra, egli rifiutò tuttavia il sistema copernicano. Nel De mundi aetherei recentioribus phaenomenis (Uraniborg, 1588) espose un proprio sistema geo-eliocentrico. La Luna, il Sole e le stelle giravano intorno alla Terra immobile, mentre Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno giravano intorno al Sole venendone trascinati intorno alla Terra. I ripetuti tagli ai finanziamenti decisi dal nuovo re Cristiano IV (1577-1648) spinsero Brahe a compiere in fretta le ultime osservazioni necessarie a preparare il proprio catalogo stellare di circa 1000 stelle e a lasciare Hveen nel 1597. Dopo una lunga peregrinazione nel nord Europa, Brahe fu chiamato a Praga nel 1599 dall'imperatore Rodolfo II (1552-1612). Nei due ultimi anni di vita, dedicati a cercare di definire il proprio sistema del Mondo, Brahe ebbe come assistente Johann Kepler (1571-1630), al quale lasciò l'enorme patrimonio delle proprie osservazioni.