Gottfried Kirch gav sin kone yderligere undervisning i astronomi, ligesom han gjorde det for sin søster og mange andre elever. Kvinder måtte ikke gå på universiteterne i Tyskland, men arbejdet med astronomi og observation af himlen, foregik i vid udstrækning uden for universiteterne. Kirch blev således en af de få kvinder, der var aktive inden for astronomi i 1700-tallet. Hun blev bredt kendt som Kirchin, den feminine udgave af familienavnet. Det var ikke uhørt i det Hellige Romerske Rige, at en kvinde skulle være aktiv inden for astronomi. Maria Cunitz, Elisabeth Hevelius og Maria Clara Eimmart havde været aktive astronomer i det 17. århundrede.
Med et edikt indførte Friedrich III et monopol på kalendere i Brandenburg og senere i Preussen og pålagde en kalenderskat. Indtægterne fra dette monopol skulle betale astronomer og medlemmer af videnskabsakademiet i Berlin, som Friedrich III grundlagde i juli 1700. Friedrich III fortsatte også med at bygge et observatorium, som blev indviet i januar 1711. Med hjælp fra sin hustru udarbejdede Gottfried Kirch den første kalender i en serie med titlen Chur-Brandenburgischer Verbesserter Calender Auff das Jahr Christi 1701, som blev meget populær.
Maria og Gottfried arbejdede sammen som et team. På typisk gildevis avancerede hun fra sin stilling som Arnolds lærling til at blive assistent for sin mand. Hendes mand havde studeret astronomi ved universitetet i Jena og havde været lærling hos Johannes Hevelius. På akademiet arbejdede hun som hans uofficielle, men anerkendte assistent. Kvindernes stilling inden for videnskaberne svarede til deres stilling i gilderne, de var værdsatte, men underordnede. Sammen foretog de observationer og udførte beregninger for at udarbejde kalendere og efemerider.
Fra 1697 begyndte kirkerne også at registrere vejroplysninger. Deres data blev brugt til at fremstille kalendere og almanakker, og de var også meget nyttige i forbindelse med navigation. Videnskabsakademiet i Berlin stod for salget af deres kalendere.
I løbet af det første årti af hendes arbejde på akademiet som hendes mands assistent observerede Kirch himlen hver aften fra kl. 21.00. Under en sådan rutineobservation opdagede hun en komet. Den 21. april 1702 opdagede Kirch den såkaldte “Komet af 1702” (C/1702 H1). I dag er der ingen tvivl om Kirch’s prioritet i forbindelse med opdagelsen af C/1702 H1. I sine notater fra den nat noterede hendes mand:
“Tidligt om morgenen (omkring kl. 2:00) var himlen klar og stjerneklar. Nogle nætter før havde jeg observeret en variabel stjerne, og min kone ville (mens jeg sov) selv finde og se den. I den forbindelse fandt hun en komet på himlen. På det tidspunkt vækkede hun mig, og jeg kunne konstatere, at det faktisk var en komet… Jeg var overrasket over, at jeg ikke havde set den natten før”.
Tysklands eneste videnskabelige tidsskrift på det tidspunkt, Acta Eruditorum, var på latin. Kirch’s efterfølgende publikationer i eget navn var alle på tysk. På det tidspunkt havde hendes mand ikke en selvstændig stol på akademiet, og Kirch’erne arbejdede som et team på fælles problemer. Parret observerede himlen sammen: han observerede nord og hun syd og foretog observationer, som en enkelt person ikke kunne have udført nøjagtigt.
Kirch fortsatte sit astronomiske arbejde og udgav på tysk under eget navn og med den rette anerkendelse. Hendes publikationer, som omfattede hendes observationer af Aurora Borealis (1707), pamfletten Von der Conjunction der Sonne des Saturni und der Venus om solens konjunktion med Saturn og Venus (1709) og den nært forestående konjunktion mellem Jupiter og Saturn i 1712 blev hendes varige bidrag til astronomien. Før Kirch havde Maria Cunitz været den eneste kvindelige astronom i det Hellige Romerske Rige, som havde udgivet under eget navn. Familievennen og vicepræsidenten for Berlins videnskabsakademi, Alphonse des Vignoles, sagde i Kirch’s lovprisning: “Hvis man ser på Frau Kirch og Frau Cunitz’ omdømme, må man indrømme, at der ikke findes nogen gren af videnskaben … hvor kvinder ikke er i stand til at yde noget, og at Tyskland især inden for astronomi er den bedste i Europa.”
I 1709 præsenterede Gottfried von Leibniz, præsident for Berlins videnskabsakademi, hende for det preussiske hof, hvor Kirch forklarede sine observationer af solpletter. Han sagde om hende:
“Der er en yderst lærd kvinde, som kunne gå for at være en sjældenhed. Hendes præstation ligger ikke i litteratur eller retorik, men i de mest dybtgående astronomiske doktriner … Jeg tror ikke, at denne kvinde let finder sin lige inden for den videnskab, som hun udmærker sig i … Hun er tilhænger af det kopernikanske system (ideen om at solen er i hvile) ligesom alle vor tids lærde astronomer. Og det er en fornøjelse at høre hende forsvare dette system ved hjælp af Den Hellige Skrift, som hun også er meget lærd i. Hun observerer med de bedste observatører og forstår at håndtere kvadranten og teleskopet på forunderlig vis.”
Når hendes mand døde i 1710, forsøgte Kirch at overtage hans plads som astronom og kalendermager ved Det Kongelige Videnskabsakademi. På trods af at hendes andragende blev støttet af Leibniz, akademiets præsident, afviste akademiets eksekutivråd hendes krav om en formel stilling med den begrundelse, at “hvad vi indrømmer hende kunne tjene som et eksempel i fremtiden”, dvs. at de ikke ønskede at skabe præcedens ved at udnævne en kvinde. I sit andragende redegjorde Kirch for sine kvalifikationer til stillingen. Hun formulerede sin ansøgning på en måde, der var acceptabel for tiden, og argumenterede for, at hun var velkvalificeret, fordi hun var blevet undervist af sin mand i astronomisk beregning og observation. Hun understregede, at hun havde beskæftiget sig med astronomisk arbejde siden sit ægteskab og havde arbejdet på akademiet siden sin mands udnævnelse ti år tidligere. I sit andragende sagde Kirch, at “i nogen tid, mens min kære afdøde mand var svag og syg, udarbejdede jeg kalenderen ud fra hans beregninger og udgav den i hans navn”. For Kirch ville en udnævnelse til akademiet ikke blot have været en æresbevisning, men var afgørende for at sikre hende og hendes børn en indkomst. I sit andragende sagde hun, at hendes mand ikke havde efterladt hende nogen midler til at forsørge hende. I den gamle gildetradition inden for håndværk ville det have været muligt for Kirch at overtage sin mands stilling efter hans død, men de nye videnskabelige institutioner havde en tendens til ikke at følge denne tradition.
Selv om Kirch havde udført et vigtigt arbejde ved akademiet, havde hun ikke en universitetsgrad, hvilket næsten alle medlemmer af akademiet havde på den tid. Endnu mere til sagen arbejdede hendes køn imod hendes udnævnelse. Berlin Academy of Sciences sekretær Johann Theodor Jablonski advarede Leibniz “at hun blive holdt på i en officiel kapacitet til at arbejde på kalenderen eller til at fortsætte med observationer simpelthen ikke vil gøre. Allerede i hendes mands levetid blev akademiet belastet med latterliggørelse, fordi dets kalender blev udarbejdet af en kvinde. Hvis hun nu skulle fortsætte i en sådan egenskab, ville mundvigene blive endnu større”. Leibniz var det eneste medlem af akademirådet, der støttede hendes udnævnelse og forsøgte at sikre økonomisk støtte til hende.
Kirch følte, at hendes andragender blev afvist på grund af hendes køn. Dette understøttes i nogen grad af det faktum, at Johann Heinrich Hoffmann, som havde ringe erfaring, blev udnævnt til hendes mands plads i stedet for hende. Hoffmann kom hurtigt bagud med sit arbejde og undlod at foretage de nødvendige observationer. Det blev endda foreslået, at Kirch skulle blive hans assistent. Kirch skrev: “Nu går jeg gennem en svær ørken, og fordi … vand er en mangelvare … smagen er bitter”. I en for tiden usædvanlig præstation blev hun dog optaget af Berlins videnskabsakademi.
I 1711 udgav hun Die Vorbereitung zug grossen Opposition, en vel modtaget pamflet, hvori hun forudsagde en ny komet, efterfulgt af en pamflet om Jupiter og Saturn. I 1712 tog Kirch imod protektionatet Bernhard Friedrich von Krosigk, som var en entusiastisk amatørastronom, og begyndte at arbejde i hans observatorium. Hun og hendes mand havde arbejdet på Krosigks observatorium, mens akademiets observatorium var ved at blive bygget. På Krosigks observatorium opnåede hun rang af mesterastronom.
Efter baron von Krosigks død i 1714 flyttede Kirch til Danzig for at assistere en professor i matematik i en kort periode, før hun vendte tilbage. I 1716 fik Kirch og hendes søn, der netop havde afsluttet universitetet, et tilbud om at arbejde som astronomer for den russiske zar Peter den Store, men foretrak at blive i Berlin, hvor hun fortsatte med at beregne kalendere for lokaliteter som Nürnberg, Dresden, Breslau og Ungarn.
Hun uddannede sin søn Christfried Kirch og døtrene Christine Kirch og Margaretha Kirch til at fungere som hendes assistenter i familiens astronomiske arbejde og fortsatte produktionen af kalendere og almanakker samt udførte observationer. I 1716 blev hendes søn Christfried og Johann Wilhelm Wagner udnævnt til observatører ved akademiets observatorium efter Hoffmanns død. Kirch flyttede tilbage til Berlin for at fungere som sønnens assistent sammen med sin datter Christine. Hun arbejdede igen på akademiets observatorium med at beregne kalendere. Mandlige akademimedlemmer klagede over, at hun indtog en for fremtrædende rolle og var “for synlig på observatoriet, når fremmede kom på besøg”. Kirch blev beordret til at “træde i baggrunden og overlade snakken til … sin søn”. Kirch nægtede at adlyde og blev af akademiet tvunget til at opgive sit hus på observatoriets område.
Kirch fortsatte sit arbejde i privat regi. Kirch døde af en feber i Berlin den 29. december 1720.