王贞仪在京城中为了研究天文、气象，她除了不断汲取前人的研究成果，不断总结自己的实践之外，还经常独自一人在庭院中仰望星辰，观察天上大小星辰的运动和变化，识辨各种云层的流动和形态。不管是夏日炎炎的酷暑，北风呼呼的严寒，她总是坚持观察，常常从傍晚直到深夜，有时甚至到天明。她把观察到的现象、心得都记录下来，进行分析研究。遇有疑难，就查阅大量资料，反复比较、核对。没有仪器设备，她硬是靠肉眼仔细观察。日积月累，使她掌握了丰富的天文知识，她能依据天空中云彩的变化，预测短期的天气阴晴雨雾的变化，通过早涝晴雨的分析，可以估计到农业生产的丰歉。
王贞仪博览群书，楔而不舍。对古籍中的天文资料她仔细体会，吸取营养。当时一些历书将恒星年同回归年的区别说成了起于汉武帝进行太初改历的时候。王贞仪指出，这种差别并不是起于《太初历》，而是自晋代虞喜发现“岁差”以后才“天自为天，岁自为岁”。
历书上还说，由于岁差，春分点逐渐东移。王贞仪也指出，这是错误的。岁差引起的春分点移动是西移而不是东移。另有一些人认为，岁差可以用“土圭”测得。王贞仪指出，上圭只能测日影，哪能测岁差？岁差只有用“中星法”才能测出。
除了精勤观测，刻苦钻研，王贞仪还非常重视学习当时的先进科学。天文学离不开计算，因此她对清初历算家梅文鼎的著作非常推崇，尤其看重《筹算》和《历算》两本。
梅文鼎曾测得地理经度圈上的一度弧长等于250里，王贞仪把这个结果引申到天球中，指出，地差1000里，天顶差五度。她还认识到，随着地理纬度的不同，各地北极出地高度也就不同，因此，恒星隐显，昼夜长短，都会随地理纬度的不同而有差别。
现代天文学对这个问题的研究，除了测量的更加精确外，就其整体来说，王贞仪当年的解释也是非常正确的。另外，随着明末清初以来西方传教士来华活动，当时西方的各种天文学理论也都传到中国来了。王贞仪对这些东西并不囫囵吞枣，而是批判地吸收，有选择地使用。她既知道哥白尼的日心体系，也了解第谷的折衷体系。她认为“西历虽至密，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，在整个翰林院都在讨论地球到底是不是一个圆的时候，大清唯一一位女天文学家，发表了自己《地圆论》学说，为李尘的想法提供了中国式的理论依据，《地圆论》说，地上的人都以自己居住的地方为正中，因此远看别的地方都是斜立的.似乎都该倾倒，实际都不倒，难道不是因为各地的人头上都是大，脚下都是地都是小。
这就是说，人们生活的地球，处于四周都是天空的空问之中，对宇宙空间来说，任何地方的人头上都是天，脚下都是地。在广阔无垠的宇宙空间中，没有上、下、侧、正的严格区别。而造成这种原因的便是大自然之中类似于磁铁之间的一种奇怪的无形的力，王贞仪把它称为吸引力。
长达万言的《地圆论》用了一个个精密的数字，一个个详细的实验，验证了王贞仪所说的地圆论。
正月初七夜里，这部《地圆论》被刑部主事，乾隆五十二年殿试一甲二名孙星衍
在探望好友詹枚的时候发现。
乾隆五十八年正月初八，制造库郎中陈官，偶遇孙星衍，两人就地球是否是圆的展开了一场震惊整个大清朝的讨论。
“《尚书·虞书·尧典》一开头就讲尧待天下太平后：‘乃命羲和，钦若昊天，历象日月星辰，敬授人时。随后命羲和、羲仲、和仲、和叔分赴四方，’这不我族先圣所说的天圆地方吗？
《晋书·天文志》记云：“古之言天者有三家，一曰盖天，二曰宣夜，三曰浑天，‘天圆如张盖，地方如棋局”，“天形南高而北下，’这不是我们先人告诉我们一个**裸的事实，乃就是天圆地方，因此我们才能立于这个世界之上。”当孙星衍把王贞仪所做的《地圆论》拿给自己的好友同科进士陈观的时候，陈观极力反对的态度出乎孙星衍的意料。
见陈观引据经典，孙星衍辩到；“陈兄所言的‘盖天’‘宣夜’‘浑天’三家所谓的言天者中，只有“宣夜”一家而已。“盖天”和“浑天”两家则不仅言天，而且言地，因此，把它们称作“天地观”似乎更加合适一些。另外，陈兄也知道盖天说又有两个支派。一个支派被《晋书·天文志》称作“周髀”，其基本观点是：“天似盖笠，地法覆盘，天地各中高外下。”另一个支派就是“天圆地方”说，也就是陈兄所说“天圆如张盖，地方如棋局”，“天形南高而北下”。
不过，在以上诸家学说中，只有“周髀家”的“天圆地方”说常见于先秦史料的记载。如：《庄子·说剑》云：“上法圆天以顺三光，下法方地以顺四时”；《楚辞·天问》云：“圆则九重”，“地方九则”；云：“无规圆者，天之文也；无矩方者，地之理也”；《吕氏春秋·序意》云：“大圆在上，大矩在下……上揆之天，下验之地”，等