1572 őszén ugyanis a Cassiopeia csillagképben egy új csillag tűnt föl, ép úgy, mint a hogy a jelen év februárjában a Perseusban is egy új ragyogó csillagot fedeztek föl. De az 1572. évi esemény még annyival nagyobb feltünést keltett, mert az új csillag oly rendkívüli fényű volt, akár a Venus legszebb ragyogásában. Tycho november 11-én pillantott meg először ezt a csillagot, s ettől fogva állandóan figyelemmel kisérte. Észleleteiről egy értekezést irt, melyet azonban csak barátja unszolására tett közzé, miután értesűlt az új csillag felől elterjedt számos balvéleményről.

Ez a mű alapitotta meg Tycho csillagászati hirnevét úgy, hogy utána az új csillagot is csak „Tychoi”-nak nevezték, bár nem ő észlelte először. Ő volt azonban az első, a ki az új csillag távolságait a Cassiopeia többi csillagaitól újra és újra, az akkori időkhöz képest rendkivül pontosan mérte ki s kétségtelenűl kimutatta, hogy az új csillag láthatósága egész ideje alatt nem változtatta helyét az álló csillagok közt, hogy tehát nem volt üstökös vagy épen meteor, a mint az akkori tudósok hitték, hanem az álló csillagokhoz tartozott.

Ám ez az egyszerű tény rendkívüli fontosságú volt, mert megdöntötte az akkori tudomány több téves alapvető tételét.

Azonban Tycho sem szabadúlhatott egészen kora babonás képzeteitől. Munkájában az új csillag feltűnéséből mindenféle csapásokat jósolt az emberiségre. De ez nem kisebbitheti tudományos érdemét, mert kora gondolkodásával együtt járt.

1573-ban Tycho egy polgári származású lánynyal lépett házasságra, kivel haláláig boldogan élt, habár úgy látszik, egyházilag nem volt is megáldva a házassága. Ez azonban sem az akkori kánonjog, sem a régi dán törvények szerint nem volt szükséges, mert hosszabb együttélés elég volt arra, hogy a házasságot jogilag is érvényessé tegye. Mindazáltal ez a házasság Tychónak hatalmas és befolyásos rokonságához való viszonyát lényegesen roszabbitotta.

Talán ez volt az oka annak is, hogy a kilátásba helyezett kanonoki stallumot még mindig nem nyerhette el, valamint annak, hogy Tycho rászánta magát hazája elhagyására. Mielőtt azonban ezt a tervét végrehajthatta volna, tanítványai és a király óhajára az 1574-75-iki téli félévben néhány előadást tartott a koppenhágai egyetemen a csillagászatból, melyek befejezése után családostól Kasselbe költözött.

Itt ez időben már IV. Vilmos hesszeni őrgróf rendszeres csillagvizsgáló-intézetet tartott fönn, mely még a mai fogalmak szerint is számot tett volna. Vilmos maga is szenvedélyesen űzte a csillagvizsgálást s különösen az álló csillagok helyeinek új meghatározásával foglalkozott, már jóval Tycho előtt. Tycho megérkezése újabb lendületet adott a művelt világ e legelső csillagvizsgáló-intézetének.

Élénk levélváltás fejlődött ki a tudós és a tudománykedvelő őrgróf között főleg a csillagászati kérdésekről, sőt az őrgróf pártfogása annyiban is használt Tychónak, hogy a legmelegebben ajánlotta II. Frigyes dán királynak úgy, hogy mikor 1575 végén Tycho visszatért Dániába, a király a Kopenhága és Helsingör közt fekvő Hvesen szigetet neki ajándékozta hűbérként, 500 tallér évdijjal, a mellett 400 tallért adott neki egy csillagvizsgáló épitésére. Később a dán király bőkezűsége ezt a segélyt évi 2400 tallérra emelte, sőt kifizette Tychonak 1588-ig, mintegy 6000 tallérra szaporodott tudományos czélokból csinált adósságait is.

Itt épített most Tycho magának lakóházat és egy kastélyszerű csillagvizsgálót.

Két évtizeden át folytatta itt alapvető tudományos vizsgálódásait a nap, hol és bolygók pályájáról, 777 nagy gonddal megfigyelt csillag katalogusát állitotta össze, azonkivül leirta az 1577-ben feltünt üstököst. Czáfolhatatlanúl kiszámította Sristoteles hiveivel szemben, hogy az üstökös távolabb esik a földtől, mint a hold.

1597 húsvétján elszánta magát Hvesen sziget elhagyására s családjával, segédeivel, szolgáival együtt elbúcsúzott tudományos kutatásai szinhelyétől; előbb Kopenhágába és Rostockba, majd Prágába utazott II. Rudolf császárhoz, ki örömmel fogadta s a Prága melletti Benatky-kastélyt jelölte ki tartózkodási helyéül. 1600-ban aztán a császár hívására végleg Prágába költözött, megkezdve ott egy csillagvizsgáló épitését. De a halál hirtelen véget vetett nagy terveinek. Október 24-én alig tiz napi betegség után meghalt s november 4-én nagy pompával temették el a prágai Teynkirchébe.