Stjerneborg. Astronomia Instaurata Mechanica, 1598. Foto: Det Kgl. Bibliotek.
Uraniborg viste sig hurtigt at være for lille til, at Tycho kunne foretage de astronomiske observationer, han ønskede. De instrumenter, der var udviklet, var blevet for store og tunge, og de havde brug for en fast forankret position. Tycho fandt også ud af, at det var nødvendigt at beskytte instrumenterne mod vindstød og at placere dem på kraftige fundamenter for at forbedre deres nøjagtighed. Det fik ham til at bygge et nyt observatorium i 1584 – Stjerneborg, lige syd for Uraniborg.
Observatoriet blev bygget delvist under jordoverfladen, og gennem observationsluger, som kun blev åbnet i observationsretningen, opnåede man et nyt højdepunkt med hensyn til nøjagtighed. Samtidig kunne temperaturafvigelserne kontrolleres, hvilket yderligere forbedrede nøjagtigheden i målingerne.
Stjerneborg bestod af seks nedgravede rum. Fem af rummene var cirkelrunde observationsrum. Det var her, instrumenterne blev opstillet. Det sjette, centrale, kvadratiske rum var et såkaldt hypocaustum, dvs. et opvarmet rum, hvor Tycho og hans assistenter kunne forberede observationer, studere resultater eller helt enkelt vente på, at skyerne skulle forsvinde. Rummet var udstyret med senge, så man kunne hvile sig under observationerne. Selve observatoriet var omgivet af volde og mure, der havde samme form som Uraniborgs ydre vægge.