Koperník se narodil 19. února 1473 v polské Toruni. Když mu bylo 10 let, jeho otec, obchodník, zemřel a Mikuláše se ujal bratr jeho matky, církevní správce Lukáš Watzenrode. Vzal si na starost synovcovo vzdělání a doufal, že půjde v jeho stopách a stane se knězem. Na podzim roku 1491 dal Lukáš, teď už varmijský arcibiskup, zapsat Mikuláše na univerzitu v Krakově, která byla pro studium astronomie nejlepší v severní Evropě. Právě tam si Koperník vypěstoval celoživotní nadšení pro matematickou astronomii.
Koperník začal v Krakově navštěvovat kurz umění se zaměřením na latinské překlady a komentáře Aristotelových děl. Podle Aristotela se Země a všechny přírodní objekty skládají ze čtyř prvků: země, vody, vzduchu a ohně. Dokonalé a neměnné nebe je pak tvořeno pátou substancí, éterem, v němž se všechny objekty pohybují po kružnicích. Koperník studoval také geometrii a zaměřil se na Eukleidovu práci a na zjednodušení geometrických astronomických modelů Klaudia Ptolemaia. Ptolemaiovský model pohybu planet vyžadoval dvě kružnice. Každá planeta se měla pohybovat rovnoměrně po malé kružnici zvané epicyklus, jehož střed se pohyboval po velké kružnici zvané deferent. Když zpětná rychlost pohybu po epicyklu přesáhla dopřednou rychlost pohybu po deferentu, pozorovali lidé na Zemi planetu, jak se chvíli pohybuje retrográdně, tedy nazpět vzhledem ke hvězdám. Aristotelsko—ptolemaiovský model předpokládal, že planety obíhají Zemi, která byla pevně spjata se středem vesmíru. Koperníkův převratný model toto schéma napadal.
Roku 1495, po čtyřech letech pobytu v Krakově, se Koperník rozhodl přerušit studia a vrátit do městečka Fromborku na severovýchodním pobřeží Baltu, sídla varmijského biskupství. Když se ve správě biskupství uvolnilo místo, Lukáš na ně nominoval svého synovce, ale jmenování bylo zpochybněno. Ještě před ukončením řízení odeslal Lukáš Mikuláše na univerzitu v italské Boloni studovat kanonické právo — pravidla pro řízení církve.
Během svého působení v Boloni se Koperník stal asistentem slavného profesora astronomie Domenika Marii Novary de Ferrara. Získal zde výtisk Alfonsínských tabulek, do nichž si zapisoval své poznámky. Tabulky vznikly ve 13. století pro španělského krále Alfonse X. Kastilského a poskytovaly údaje potřebné k výpočtům polohy Slunce, Měsíce a planet vzhledem k hvězdám. Koperník si sehnal také zkrácenou verzi Ptolemaiova Almagestu - matematického a astronomického traktátu o složitých pohybech hvězd a planet — z roku 1496 připravenou Regiomontanem (latinizovaná podoba jména německého matematika a astronoma Johanna Mullera z Konigsbergu, který zemřel 20 let před tímto vydáním). Koperníkovi vadil nesoulad mezi Ptolemaiovými planetárními drahami a Aristotelovým ideálem geometrické dokonalosti, což trápilo už samotného Ptolemaia stejně jako středověké Araby a židovské astronomy ve Španělsku.
Koperník opustil Boloňu po čtyřech letech, opět bez akademického titulu. Několik měsíců strávil v Římě, kde se slavilo výročí 1500 let křesťanství. Podle některých byly oslavy marnivým utrácením církevních peněz papežem Alexandrem, nicméně brzy přerostly v reformační hnutí spojené s německým mnichem Martinem Lutherem a vedly k odloučení protestantské víry. V roce 1501 žádal Koperník varmijskou kapitulu o další dva roky studia v Itálii s příslibem, že nabyté lékařské schopnosti využije k péči o biskupa v Padově a o členy kapituly. V roce 1503 se vrátil do Varmie sice bez lékařského titulu, ale s doktorátem kanonického práva z univerzity ve Ferraře. Převzal povinnosti kanovníka, přičemž zároveň sloužil jako osobní sekretář a lékař svého strýce až do jeho smrti v roce 1512.
Mikuláš Koperník pokračoval ve studiu Regiomontanova zkráceného Almagestu a zjistil, že německý astronom rozpracoval Ptolemaiovu alternativní úvahu o tom, jak epicykly ovlivňují retrográdní pohyb planet, a ukázal, Že místo deferentu a epicyklu lze pohyb planet popsat excentrickou kružnicí s pohyblivým středem, který leží vždy ve směru ke Slunci. Tato Regiomontanova ukázka se stala inspirací ke Koperníkově heliocentrické soustavě.
Koperník nejdříve navrhl systém, ve kterém vnější planety — Mars, Jupiter a Saturn — obíhaly Slunce, zatímco Slunce obíhalo kolem Země. Když ale do soustavy přidal vnitřní planety Merkur a Venuši, musel si vybrat mezi uspořádáním s planetami obíhajícími Slunce, které pak obíhá Zemi, a elegantnějším modelem, kde Země rovněž obíhá kolem Slunce. Druhý model by pracoval se Zemí jako s planetou v pohybu a vysvětloval, že retrográdní pohyby planet a další nepravidelnosti nejsou skutečné, ale pouze zdánlivé. Umístění všech planet na oběžnou dráhu Slunce určovalo také jejich vzdálenosti a oběžné doby, které V jeho modelu odpovídajícím způsobem rostly. (Měsíc byl v tomto modelu na epicyklu kolem Země.) O několik desetiletí později obhajoval Koperník svůj model v knize De revolutionibus takto: „
Toho roku se Koperník natrvalo usídlil ve Fromborku. Většina jeho církevních povinností souvisela s financemi, což ho vedlo k sepsání pojednání o penězích a ražbě mincí. Přesto si udělal čas na to, co stále zaměstnávalo jeho mysl — měření poloh planet a Slunce, které by poskytlo data pro revizi Ptolemaiova modelu. Roku 1515 byl poprvé vydán kompletní Almagest. Když Koperník zjistil, o kolik je podrobnější než zkrácená Regiomontanova verze, na níž byl založen jeho Commentariolus, pochopil pravou velikost úkolu, který si sám uložil. Přesvědčit západní svět, že je třeba nahradit kosmologický systém, kterého se držel déle než tisíc let, vyžadovalo desítky let pozorování a výpočtů.
Rukopis rostl Koperníkovi pod rukama, ale jeho publikaci nepřipravoval, i když jej kolegové pobízeli. V roce 1539 však přijel na delší návštěvu mladý rakouský matematik Georg Joachim Rheticus. Navzdory ediktu z roku 1526, který luteránům zakazoval vstup do Varmie, přijal Koperník Rhetika jako svého žáka. Už počátkem roku 1540 publikovala tiskárna v Gdaňsku Rhetikův souhrn Koperníkových teorií Narratio prima (První zpráva). Rheticus pracoval s Koperníkem na posledních úpravách rukopisu a v roce 1542 jej doručil norimberskému tiskaři Johannu Petreiovi, který začal připravovat štočky pro Koperníkova složitá schémata.
Během následujících 10 měsíců, jež zabrala výroba velké knihy o šesti dílech, předal Koperník tiskaři kardinálův dopis z roku 1536, který se stal součástí předmluvy. Kardinál v něm vyzýval Koperníka, aby „sděloval své objevy nadšencům a při nejbližší příležitosti mu zaslal svou práci o vesmírné sféře včetně tabulek“. Koperník také napsal předmluvu s věnováním papeži Pavlovi III., kde své meškání s vydáním zdůvodnil obavami z přijetí prezentovaných myšlenek, ale zároveň vyjádřil přesvědčení, že prospějí církevní společnosti.
Ke konci roku 1542 ale Koperníka stihla mrtvice, po níž zůstal částečně ochrnutý s omezenou možností pracovat. Své velké dílo poprvé uviděl vytištěné až v den své smrti 24. května 1543. Nejspíš byl příliš nemocen, aby si všiml, že v knize přibyla anonymní poznámka o tom, že jeho argumenty jsou pouhými hypotézami a že jeho heliocentrický model je užitečný jen jako matematická pomůcka, i když to bylo v rozporu s Koperníkovým přesvědčením, že Slunce je skutečně ve středu vesmíru. Až roku 1609 vyšlo najevo, že tuto úvodní poznámku připsal luteránský teolog Andreas Osiander, který z Rhetikova pověření dohlížel na korektury knihy.
V prvním roce bylo vytištěno jen 500 kopií De revolutionibus a jeho zásadní argumenty nezpůsobily žádnou bouři. Během dalších desetiletí prohlásili veřejně Johannes Kepler a Galileo Galilei, že Koperníkovu kosmologii považují za skutečnou, nejen teoretickou pomůcku. Mnoho kněží však protestovalo proti rozporu mezi biblickou a heliocentrickou kosmologii a katolická církev v roce 1616 umístila De revolutionibus na oficiální index zakázaných knih. Itálie tyto knihy cenzurovala, někde jinde však byl zákaz ignorován. Když Isaac Newton v roce 1687 vydal Princpiia mathematica, přijala Koperníkovu soustavu řada učenců. Přesto se jeho kniha dostala z indexu až v roce 1835 — zároveň s Keplerovým a Galileovým dílem.
Teprve nedávno začala církev společně s vědci vzdávat Koperníkovi úctu. V roce 1972, před pětistým výročím astronomovy smrti, vyslala NASA družici Copernicus, která po 8 let studovala pulzary a mezihvězdnou látku. V roce 2005 se zjistilo, že v neoznačeném hrobě blízko oltáře katedrály ve Fromborku spočívá kostra asi sedmdesátiletého muže. O tři roky později porovnali polští archeologové DNA z vyzvednutých ostatků s několika vlasy nalezenými v knize, kterou Koperník používal, a potvrdili jeho totožnost. Tak byl 22. května 2010 Koperník, který si v roce 1543 nezasloužil ani označený hrob, znovu pohřben pod oltář v katedrále a byl mu zde postaven černý žulový pomník. Téhož roku schválila Mezinárodní unie pro Čistou užitou chemii jméno kopernicium (Cp), jež navrhli objevitelé prvku číslo 112.
