בזמנו, אסטרונומים מעטים קיבלו את התאוריה של קופרניקוס, שלא הייתה מרחיקת לכת כמו זו של ברונו. גלילאו וקפלר היו צעירים מדי בתקופתו של ברונו. ברונו עצמו לא היה אסטרונום במקצועו, אולם היה מהראשונים לאמץ את רעיונותיו של קופרניקוס ולדחות את תפיסת העולם הרואה את כדור הארץ כמרכז היקום.
במחצית השנייה של המאה השש עשרה, רעיונותיו של קופרניקוס החלו להתפשט באירופה. למרות שברונו לא קיבל את העדפות המתמטיקה על גבי ההשערה על ידי קופרניקוס, הוא קידם את טענתו כי כדור הארץ אינו מרכז היקום. הוא הסיק מכך כמה מסקנות, שעשויות היו להראות טבעיות כיום, אולם נחשבו למהפכניות בזמנו.
ברונו טען כי התאוריות של קופרניקוס סותרות את אלו של הספרות השמימיות הקבועות ומושלמות. ברונו החליף את המודל ההליוצנטרי, כמו במודל של פלוטינוס במאה השלישית לספירה ושל בלייז פסקל מאה שנים לאחר ברונו, במודל שבו מרכז היקום הוא בכל מקום וליקום עצמו אין גבול.
ברונו טען, כפי המקובל לחשוב היום, כי מה שנראה כתנועה היומית של השמש בשמים, הוא אשליה הנובעת מסיבובו של כדור הארץ על צירו. כמו כן הוא לא ראה סיבה להאמין כי היקום מוגבל בגודלו (על כך הדעות חלוקות היום), או שכל הכוכבים נעים במסלול סביב למרכז קבוע. בכך, הייתה תפיסתו דומה לזו של תומאס דיגס ב"A Perfit Description of the Caelestial Orbes" מ-1576.
להבדיל, דיגס חשב כי באזור האין סופי, שמעבר לכוכבים שוכנים להם האלוהים והמלאכים. הוא שמר על תפיסתו של תלמי בדבר ספרות קבועות וראה את כדור הארץ כמקום היחיד בו ייתכנו חיים, אזור ייחודי של שינוי וחוסר שלמות לעומת הספרות הקבועות והמושלמות.
ב-1584 פרסם ברונו את הדיאלוגים האיטלקיים, בהם התנגד לתפיסת הספרות הקבועות. שנתיים לאחר מכן כריסטוף רוטמן התנגד אף הוא לתפיסה זו, ואילו טיכו ברהה פרסם התנגדות נוספת ב-1587. היקום האין סופי של ברונו היה מלא ב"אוויר טהור", אתר (רעיון האתר לא הומצא על ידי ברונו). לתפיסתו האתר לא הפריע לתנועת הכוכבים. ברבות הימים, הוכח שלא קיים חומר זה.
השינוי הדרמטי יותר היה נטישת התפיסה ההיררכית של היקום. הן כדור הארץ והן השמש היו במודל שלו כוכבים כשאר הכוכבים.
ברונו טען כי היקום הוא הומוגני ומורכב בכל מקום מארבעת היסודות - (אדמה, מים, אוויר ואש) וכי הכוכבים אינם מורכבים מחומרים שונים. בניסוח מודרני ניתן לומר כי הוא טען כי אותם חוקי טבע תקפים בכל מקום. זמן וחלל הם אין סופיים.
ברונו ראה את מערכת השמש כרכיב בסיסי, שכדוגמתו מצויות מערכות דומות בכל היקום. לפי ברונו, אלוהים בהכרח יצר אין סוף מערכות שמש הפזורות ביקום ומופרדות באתר, שכן ריק אינו יכול להתקיים. כוכבי שביט היו אף הם כוכבים לתפיסתו, ולא כפי שאחרים טענו - יצירות אמורפיות, מכשירים קדושים או שליחי האל. כל כוכב שביט היה עולם, ואף הוא הורכב מארבעת היסודות.
מלבד רעיונות אלו, היו עוד צדדים נוספים בתאוריה של ברונו שקוממו את הכנסייה. ביקום היציב והקבוע שתיאר ברונו לא היה מקום למושגים הנוצריים של בריאת העולם ואחרית הימים. לאלוהים לא היה קשר לחלק אחד של היקום יותר מאשר למשנהו. לפי ברונו, אלוהים היה נוכח בכדור הארץ כמו בשמים, כלומר אלוהים היה קרוב ולא ישות שמימית מרוחקת.
הקוסמולוגיה של ברונו הייתה אין סופית, הומוגנית, נטולת כיוון או מרכז, והכוכבים היו פזורים ביקום באופן אחיד. החומר היה בר-תפיסה ובדיד, מורכב מאטומים. תפיסות אלו והשימוש במתמטיקה כבסיס לתאוריות מדעיות היו ההבדלים הגדולים בין הקוסמולוגיה של ברונו לזו שהייתה מקובלת בתקופתו.
ניצחונו של ברונו הוא שהיום מרבית תפיסותיו נראות לנו כהיגיון פשוט.
