علم الفلك
في سنة 1577م، بنى تقي الدين مرصداً فلكياً، والذي يتكون من مبنيين ضخمين ويتموضعان فوق هضبة تشرف على الجزء الأوروبي من مدينة أسطنبول، لإفساح المجال لعرض مشهداً واسعاً من سماء الليل. المرصد هو أشبه بكثير بالمعهد الحديث، حيث خصص المبنى الرئيسي للمكتبة ووحدات السكن لأفراد الطاقم، بينما خصص المبنى الأصغر لاستضافة مجموعة من الآلات الفلكية التي بنيت من قبل تقي الدين. وتشمل هذه الآلات: الكرة المؤلفة من حلقات العملاقة، والساعة الفلكية لقياس موقع وسرعة الكواكب. كان تقي الدين يأمل أنه باستخدام هذه الآلات أن يقوم بتعديل الجداول الفلكية في الزيج القديم والتي تصف حركة الشمس والقمر والكواكب.

برهن تقي الدين إلى أقصى حد أن الآلة تساعد على رؤية الأجسام البعيدة بالتفصيل عن طريق جلبها بشكل قريب جداً. كما أنه برهن أيضاً أنه كتب مؤلفاً بدائياً آخر يشرح فيه طريقة صنع هذه الآلة واستعمالها، ومقترحاً بأنه كان يخترعها لبعض الوقن قبل سنة 1574م. وعلى كل حال، لا يزال من غير المعروف إذا كان قد وظّف هذه الآلة أم لا لمشاهداته الفلكية اللاحقة في مرصد تقي الدين الفلكي الإسطنبولي منذ عام 1577م.

الانكساريات
في المجلد الثالث: الانكساريات، حلّل تقي الدين: «السؤال الأهم لإختلافات الضوء المار خلال تنقله في الأوساط ذات الكثافات المختلفة. يعني: طبيعة الضوء المنكسر، وطريقة حدوث الانكسار، وطبيعة الصور المتكونة من الضوء المنكسر». وجاءت نتائجه أيضاً قريباً من صياغة قانون سنل للجيوب، ولهذا لم يجد النسبة الثابتة الدقيقة بين جيب السطوح وزوايا الانكسار. ورغم كل ذلك، كان قادراً بدلاً من ذلك على عمل اكتشاف مهم آخر: اختراع المنظار الفلكي الأساسي البدائي، والذي وصفه بأنه آلة يجعل الأجسام التي تقع بعيدةً جداً تبدو قريبة إلى المشاهد، كما أنه إدعى أنه ألهم من قبل الأساطير التي تحرس برج الإسكندرية، حيث يقول:

«أنا جعلت البلورة التي لديها عدستين اثنتين تعرض بالتفاصيل الأجسام من مسافات بعيدة. وعندما ينظرون من إحدى الجانبين، يستطيع الناس أن يروا سفينة تبحر في البحر من بعيد. آلتي أنا تشابه تلك التي صنعها الإغريقيون القدماء ووضعوها في برج الإسكندرية».

الانعكاسيات

في المجلد الثاني: الانعكاسيات، زوّد تقي الدين: «البرهان التجريبي للانعكاس المستوي بصورة غير مخطط لها وبأقصى ما يمكن من الضوء الضروري؛ والصياغة الكاملة لقوانين الانعكاس؛ ووصف لبناء واستعمال الآلة النحاسية لقياس الانعكاسات من المرايا المستوية، والمرايا الكروية والأسطوانية، والمرايا المخروطية بغض النظر عما إذا كانت مقعرة أم محدبة».

الإبصار المباشر

في المجلد الأول: الإبصار المباشر، ناقش تقي الدين: طبيعة الضوء، ومصدر الضوء، وطبيعة انتشار الضوء، وكيفية حدوث النظر، وتأثير الضوء على العين والنظر. كما أنه وفّر أول تفسير مقنع لكيفية تركيب اللون، وبرهن بوضوح أن اللون يتكون كنتيجة انعكاس وانكسار الضوء، وتوصل تقي الدين إلى هذه النتيجة بمدة قرنين من الزمن قبل أن يأتي إسحق نيوتن ويؤكد هذه النتيجة. مثل الذين سبقوه من العلماء المسلمين كابن الهيثم والفارسي، دعم تقي الدين أيضاً نموذج مرور الضوء للإبصار، حيث ينعكس الضوء عن الأجسام نحو العين. في حين أن الذين سبقوه قاموا ببناء آلات مثل: الكاميرا المظلمة والكاميرا ذات الثقب لتوضيح نموذج مرور الضوء للإبصار، قام تقي الدين بدلاً من ذلك باستعمال مثالاً أبسط اسنوحاه من فيزياء الأجرام الفلكية لتوضيح نموذج مرور الضوء للإبصار. برهن أنه إذا كان الضوء خارجاً من العين فإنه سيستغرق فترةً طويلةً لرؤية النجوم، والتي تقع على بعد ملايين الكيلومترات عن الأرض. ثم بعد ذلك برهن أنه بما أن سرعة الضوء ثابتة، «فإنه سيستغرق وقتأ أطول بكثير للسفر نحو النجم ثم العودة مرةً أخرى إلى العين. ولكن ليست هذه هي الحالة، حيث أننا نرى النجم في اللحظة التي نطرف بها أعيننا. وعلى هذا فإن الضوء يجب أن يكون خارجاً من الجسم وليس من الأعين»