王貞儀在京城中為了研究天文、氣象，她除了不斷汲取前人的研究成果，不斷總結自己的實踐之外，還經常獨自一人在庭院中仰望星辰，觀察天上大小星辰的運動和變化，識辨各種雲層的流動和形態。不管是夏日炎炎的酷暑，北風呼呼的嚴寒，她總是堅持觀察，常常從傍晚直到深夜，有時甚至到天明。她把觀察到的現象、心得都記錄下來，進行分析研究。遇有疑難，就查閱大量資料，反覆比較、核對。沒有儀器設備，她硬是靠肉眼仔細觀察。日積月累，使她掌握了豐富的天文知識，她能依據天空中雲彩的變化，預測短期的天氣陰晴雨霧的變化，通過早澇晴雨的分析，可以估計到農業生產的豐歉。
王貞儀博覽群書，楔而不捨。對古籍中的天文資料她仔細體會，吸取營養。當時一些歷書將恆星年同回歸年的區別說成了起於漢武帝進行太初改歷的時候。王貞儀指出，這種差別並不是起於《太初歷》，而是自晉代虞喜發現「歲差」以後才「天自為天，歲自為歲」。
歷書上還說，由於歲差，春分點逐漸東移。王貞儀也指出，這是錯誤的。歲差引起的春分點移動是西移而不是東移。另有一些人認為，歲差可以用「土圭」測得。王貞儀指出，上圭只能測日影，哪能測歲差？歲差只有用「中星法」才能測出。
除了精勤觀測，刻苦鑽研，王貞儀還非常重視學習當時的先進科學。天文學離不開計算，因此她對清初歷算家梅文鼎的著作非常推崇，尤其看重《籌算》和《歷算》兩本。
梅文鼎曾測得地理經度圈上的一度弧長等於250里，王貞儀把這個結果引申到天球中，指出，地差1000里，天頂差五度。她還認識到，隨著地理緯度的不同，各地北極出地高度也就不同，因此，恆星隱顯，晝夜長短，都會隨地理緯度的不同而有差別。
現代天文學對這個問題的研究，除了測量的更加精確外，就其整體來說，王貞儀當年的解釋也是非常正確的。另外，隨著明末清初以來西方傳教士來華活動，當時西方的各種天文學理論也都傳到中國來了。王貞儀對這些東西並不囫圇吞棗，而是批判地吸收，有選擇地使用。她既知道哥白尼的日心體系，也瞭解第谷的折衷體系。她認為「西曆雖至密，亦未能言概准，」「有所可行，即有不可行；有所是，即有不是。」
乾隆五十八年八月初七，在整個翰林院都在討論地球到底是不是一個圓的時候，大清唯一一位女天文學家，發表了自己《地圓論》學說，為李塵的想法提供了中國式的理論依據，《地圓論》說，地上的人都以自己居住的地方為正中，因此遠看別的地方都是斜立的.似乎都該傾倒，實際都不倒，難道不是因為各地的人頭上都是大，腳下都是地都是小。
這就是說，人們生活的地球，處於四周都是天空的空問之中，對宇宙空間來說，任何地方的人頭上都是天，腳下都是地。在廣闊無垠的宇宙空間中，沒有上、下、側、正的嚴格區別。而造成這種原因的便是大自然之中類似於磁鐵之間的一種奇怪的無形的力，王貞儀把它稱為吸引力。
長達萬言的《地圓論》用了一個個精密的數字，一個個詳細的實驗，驗證了王貞儀所說的地圓論。
正月初七夜裡，這部《地圓論》被刑部主事，乾隆五十二年殿試一甲二名孫星衍
在探望好友詹枚的時候發現。
乾隆五十八年正月初八，製造庫郎中陳官，偶遇孫星衍，兩人就地球是否是圓的展開了一場震驚整個大清朝的討論。
「《尚書·虞書·堯典》一開頭就講堯待天下太平後：『乃命羲和，欽若昊天，歷象日月星辰，敬授人時。隨後命羲和、羲仲、和仲、和叔分赴四方，』這不我族先聖所說的天圓地方嗎？
《晉書·天文志》記云：「古之言天者有三家，一曰蓋天，二曰宣夜，三曰渾天，『天圓如張蓋，地方如棋局」，「天形南高而北下，』這不是我們先人告訴我們一個**裸的事實，乃就是天圓地方，因此我們才能立於這個世界之上。」當孫星衍把王貞儀所做的《地圓論》拿給自己的好友同科進士陳觀的時候，陳觀極力反對的態度出乎孫星衍的意料。
見陳觀引據經典，孫星衍辯到；「陳兄所言的『蓋天』『宣夜』『渾天』三家所謂的言天者中，只有「宣夜」一家而已。「蓋天」和「渾天」兩家則不僅言天，而且言地，因此，把它們稱作「天地觀」似乎更加合適一些。另外，陳兄也知道蓋天說又有兩個支派。一個支派被《晉書·天文志》稱作「周髀」，其基本觀點是：「天似蓋笠，地法覆盤，天地各中高外下。」另一個支派就是「天圓地方」說，也就是陳兄所說「天圓如張蓋，地方如棋局」，「天形南高而北下」。
不過，在以上諸家學說中，只有「周髀家」的「天圓地方」說常見於先秦史料的記載。如：《莊子·說劍》云：「上法圓天以順三光，下法方地以順四時」；《楚辭·天問》云：「圓則九重」，「地方九則」；云：「無規圓者，天之文也；無矩方者，地之理也」；《呂氏春秋·序意》云：「大圓在上，大矩在下……上揆之天，下驗之地」，等等。而宣夜說、渾天說，以及「周髀」的蓋天說，則都在先秦史料中難覓蹤影。
另外，據西漢論述蓋天說的專著《周髀算經》記載，早在西周初年，一位名叫商高的學者在與周朝開國元勳周公對話時，就有「方屬地，圓屬天，天圓地方」的說法。以此可見，陳兄所說的三甲，實則是一家而已，兩外兩家並沒有嚴明天圓地方，而且這一家的觀點也只是在周朝一位叫商高的大臣在和周公的對話是提出的，而不是周公自己言論，所以應該說當時周公是對這個看法保留態度的，因此陳兄所言天圓地方，只不過是後人對商高言論的發展而已，說不上聖人之言吧？」
「然而楚國宋玉在《大言賦》中寫道：「方地為車，圓天為蓋。」《周易·說卦》云：「乾為天，為圜。坤為地，為大輿。」關於「圜」字，《說文》釋云：「圜，天體也。」段注云：「圜，環也。」關於「輿」字，《說文》釋云：「輿，車輿也。」段注云：「車輿，車之輿也。……輿為人所居。」《周禮·考工記·》記雲；「軫之方也，以象地也。蓋之圓也，以象天也。」文中的「軫」亦是當時人們對車體的稱謂。《史記·天官書》云：「軫為車。」《索隱》引宋均云：「軫四星，……車之象也。」作何解釋呢？」陳官據理力爭道。