Borelli si occupò anche di astronomia, elaborando una teoria generale sul moto dei pianeti, seppure limitatamente ai satelliti di Giove. Si suppone che la decisione di limitare lo studio a tali corpi fosse stata dettata dall'opportunità di non andare in contrasto con le teorie geocentriche imposte dalla Chiesa. Nel suo studio "Theoricae mediceorum planetarum", sostiene che tutti i satelliti abbiano una naturale tendenza ad avvicinarsi a Giove, mentre la loro orbita circolare intorno ad esso li spingerebbe ad allontanarsene. Le forze contrapposte si equilibrerebbero: l'attrazione verso Giove sarebbe costante mentre la spinta contraria sarebbe inversamente proporzionale alla distanza dei satelliti da Giove. Borelli giustifica il moto delle orbite e la loro forma ellittica come una combinazione di forze tra "l'attrazione dei raggi solari" e i "raggi motori" originati da Giove.