Gottfried Kirch unterrichtete seine Frau weiter in Astronomie, wie er es auch für seine Schwester und viele andere Studenten tat. Frauen durften in Deutschland keine Universitäten besuchen, aber die Arbeit der Astronomie und der Himmelsbeobachtung fand weitgehend außerhalb der Universitäten statt. So wurde Kirch zu einer der wenigen Frauen, die in den 1700er Jahren in der Astronomie tätig waren. Sie wurde weithin als Kirchin bekannt, die weibliche Version des Familiennamens. Im Heiligen Römischen Reich war es nicht unüblich, dass eine Frau in der Astronomie tätig war. Maria Cunitz, Elisabeth Hevelius und Maria Clara Eimmart waren im siebzehnten Jahrhundert als Astronominnen tätig.
Friedrich III. führte durch ein Edikt ein Monopol für Kalender in Brandenburg und später in Preußen ein und erlegte eine Kalendersteuer auf. Mit den Einnahmen aus diesem Monopol sollten Astronomen und Mitglieder der Berliner Akademie der Wissenschaften bezahlt werden, die Friedrich III. im Juli 1700 gegründet hatte. Friedrich III. ließ auch eine Sternwarte bauen, die im Januar 1711 eingeweiht wurde. Mit Hilfe seiner Frau erstellte Gottfried Kirch den ersten Kalender einer Serie mit dem Titel Chur-Brandenburgischer Verbesserter Calender Auff das Jahr Christi 1701, der sich großer Beliebtheit erfreute.
Maria und Gottfried arbeiteten als Team zusammen. In typischer Zunftmanier stieg sie von ihrer Position als Arnolds Lehrling zur Assistentin ihres Mannes auf. Ihr Mann hatte an der Universität Jena Astronomie studiert und war bei Johannes Hevelius in die Lehre gegangen. An der Akademie arbeitete sie als seine inoffizielle, aber anerkannte Assistentin. Die Stellung der Frauen in den Wissenschaften war ähnlich wie die der Zünfte: geschätzt, aber untergeordnet. Gemeinsam machten sie Beobachtungen und führten Berechnungen durch, um Kalender und Ephemeriden zu erstellen.
Ab 1697 begannen die Kirchs auch, Wetterdaten aufzuzeichnen. Ihre Daten wurden für die Erstellung von Kalendern und Almanachen verwendet und waren auch für die Navigation sehr nützlich. Die Akademie der Wissenschaften in Berlin übernahm den Vertrieb ihrer Kalender.
Im ersten Jahrzehnt ihrer Tätigkeit an der Akademie beobachtete Kirch als Assistentin ihres Mannes jeden Abend ab 21 Uhr den Himmel. Am 21. April 1702 entdeckte Kirch den sogenannten „Kometen von 1702“ (C/1702 H1). Heute gibt es keinen Zweifel mehr an Kirchs Priorität bei der Entdeckung von C/1702 H1. In seinen Aufzeichnungen aus jener Nacht notierte ihr Mann:
„Früh am Morgen (gegen 2:00 Uhr) war der Himmel klar und sternenklar. Einige Nächte zuvor hatte ich einen veränderlichen Stern beobachtet, und meine Frau wollte ihn (während ich schlief) selbst finden und sehen. Dabei entdeckte sie einen Kometen am Himmel. Daraufhin weckte sie mich, und ich stellte fest, dass es tatsächlich ein Komet war… Ich war überrascht, dass ich ihn in der Nacht zuvor nicht gesehen hatte.“
Die einzige wissenschaftliche Zeitschrift Deutschlands zu dieser Zeit, Acta Eruditorum, war in Latein. Kirchs spätere Veröffentlichungen unter ihrem eigenen Namen waren alle in deutscher Sprache. Ihr Mann hatte zu dieser Zeit noch keinen eigenen Lehrstuhl an der Akademie, und die Kirchs arbeiteten als Team an gemeinsamen Problemen. Das Paar beobachtete den Himmel gemeinsam: Er beobachtete den Norden und sie den Süden und machte dabei Beobachtungen, die eine einzelne Person nicht genau hätte durchführen können.
Kirch setzte ihre astronomischen Arbeiten fort und veröffentlichte auf Deutsch unter ihrem eigenen Namen und mit der entsprechenden Anerkennung. Ihre Veröffentlichungen, darunter ihre Beobachtungen über die Aurora Borealis (1707), die Broschüre Von der Conjunction der Sonne des Saturni und der Venus (1709) und die sich nähernde Konjunktion von Jupiter und Saturn im Jahr 1712 wurden zu ihren bleibenden Beiträgen zur Astronomie. Vor Kirch war Maria Cunitz die einzige Astronomin im Heiligen Römischen Reich, die unter ihrem eigenen Namen publiziert hatte. Der Familienfreund und Vizepräsident der Berliner Akademie der Wissenschaften, Alphonse des Vignoles, sagte in Kirchs Laudatio: „Betrachtet man den Ruf der Frau Kirch und der Frau Cunitz, so muss man zugeben, dass es keinen Zweig der Wissenschaft … gibt, in dem Frauen nicht zu Leistungen fähig sind, und dass Deutschland besonders in der Astronomie den Preis vor allen anderen Staaten Europas einnimmt.“
Im Jahr 1709 stellte der Präsident der Berliner Akademie der Wissenschaften, Gottfried von Leibniz, sie dem preußischen Hof vor, wo Kirch ihre Sonnenfleckensichtungen erläuterte. Er sagte über sie:
„Es gibt eine höchst gelehrte Frau, die als eine Rarität durchgehen könnte. Ihre Leistung liegt nicht in der Literatur oder Rhetorik, sondern in den tiefsten Lehren der Astronomie … Ich glaube nicht, dass diese Frau in der Wissenschaft, in der sie sich auszeichnet, leicht ihresgleichen findet… Wie alle gelehrten Astronomen unserer Zeit vertritt sie das kopernikanische System (die Vorstellung, dass die Sonne in Ruhe ist). Und es ist ein Vergnügen, sie dieses System mit Hilfe der Heiligen Schrift verteidigen zu hören, in der sie ebenfalls sehr bewandert ist. Sie beobachtet mit den besten Beobachtern und weiß den Quadranten und das Fernrohr wunderbar zu handhaben“.
Nach dem Tod ihres Mannes im Jahr 1710 versuchte Kirch, seinen Platz als Astronom und Kalendermacher an der Königlichen Akademie der Wissenschaften einzunehmen. Obwohl ihre Petition von Leibniz, dem Präsidenten der Akademie, unterstützt wurde, lehnte der Exekutivrat der Akademie ihre Forderung nach einer formellen Position mit der Begründung ab, dass „das, was wir ihr zugestehen, in Zukunft als Beispiel dienen könnte“, d.h. man wollte keinen Präzedenzfall durch die Ernennung einer Frau schaffen. In ihrer Petition legte Kirch ihre Qualifikationen für die Stelle dar. Sie formulierte ihre Bewerbung zeitgemäß und argumentierte, sie sei gut qualifiziert, weil sie von ihrem Mann in astronomischen Berechnungen und Beobachtungen unterrichtet worden sei. Sie betonte, dass sie sich seit ihrer Heirat mit astronomischen Arbeiten beschäftigt habe und seit der Ernennung ihres Mannes vor zehn Jahren an der Akademie tätig gewesen sei. In ihrer Petition sagte Kirch, dass „ich eine Zeit lang, während mein lieber verstorbener Mann schwach und krank war, den Kalender nach seinen Berechnungen erstellt und unter seinem Namen veröffentlicht habe“. Für Kirch wäre eine Ernennung an der Akademie nicht nur eine Ehrenbezeugung gewesen, sondern auch lebenswichtig für die Sicherung des Einkommens für sie und ihre Kinder. In ihrer Petition gab sie an, dass ihr Mann ihr keine Mittel zum Unterhalt hinterlassen hatte. In der alten Zunfttradition des Handwerks wäre es für Kirch möglich gewesen, die Position ihres Mannes nach dessen Tod zu übernehmen, aber die neuen wissenschaftlichen Institutionen tendierten dazu, dieser Tradition nicht zu folgen.
Während Kirch wichtige Arbeit an der Akademie geleistet hatte, verfügte sie nicht über einen Universitätsabschluss, den zu dieser Zeit fast jedes Mitglied der Akademie hatte. Mehr noch, ihr Geschlecht wirkte sich negativ auf ihre Ernennung aus. Der Sekretär der Berliner Akademie der Wissenschaften, Johann Theodor Jablonski, mahnte Leibniz, „dass es einfach nicht geht, dass sie in amtlicher Eigenschaft zur Arbeit am Kalender oder zur Fortführung von Beobachtungen herangezogen wird. Schon zu Lebzeiten ihres Mannes wurde die Akademie mit Spott belastet, weil ihr Kalender von einer Frau erstellt wurde. Wenn sie nun in dieser Funktion weitergeführt würde, würden die Münder noch weiter aufgerissen“. Leibniz war das einzige Mitglied des Akademierats, das sich für ihre Berufung einsetzte und sich um finanzielle Unterstützung bemühte.
Kirch war der Meinung, dass ihre Bitten aufgrund ihres Geschlechts abgelehnt wurden. Dafür spricht auch, dass an ihrer Stelle der wenig erfahrene Johann Heinrich Hoffmann an die Stelle ihres Mannes berufen wurde. Hoffmann geriet bald mit seiner Arbeit in Rückstand und versäumte es, die erforderlichen Beobachtungen zu machen. Es wurde sogar vorgeschlagen, dass Kirch sein Assistent werden sollte. Kirch schrieb: „Jetzt gehe ich durch eine strenge Wüste, und weil… das Wasser knapp ist… ist der Geschmack bitter“. Dennoch wurde sie in einer für die damalige Zeit außergewöhnlichen Leistung in die Berliner Akademie der Wissenschaften aufgenommen.
1711 veröffentlichte sie Die Vorbereitung zug großer Opposition, eine vielbeachtete Broschüre, in der sie einen neuen Kometen vorhersagte, gefolgt von einer Broschüre über Jupiter und Saturn. 1712 nahm Kirch die Schirmherrschaft von Bernhard Friedrich von Krosigk an, der ein begeisterter Amateurastronom war, und begann in dessen Sternwarte zu arbeiten. Sie und ihr Mann arbeiteten bereits an Krosigks Sternwarte, als die Sternwarte der Akademie noch im Bau war. An Krosigks Sternwarte erreichte sie den Rang einer Meisterastronomin.
Nach dem Tod des Freiherrn von Krosigk im Jahr 1714 zog Kirch nach Danzig, um dort für kurze Zeit einem Mathematikprofessor zu assistieren, bevor sie zurückkehrte. 1716 erhielten Kirch und ihr Sohn, der gerade die Universität abgeschlossen hatte, ein Angebot, als Astronomen für den russischen Zaren Peter den Großen zu arbeiten, zogen es aber vor, in Berlin zu bleiben, wo sie weiterhin Kalender für Orte wie Nürnberg, Dresden, Breslau und Ungarn berechnete.
Sie bildete ihren Sohn Christfried Kirch und die Töchter Christine Kirch und Margaretha Kirch zu ihren Assistenten in der astronomischen Arbeit der Familie aus und setzte die Herstellung von Kalendern und Almanachen sowie die Durchführung von Beobachtungen fort. Nach dem Tod Hoffmanns wurden 1716 ihr Sohn Christfried und Johann Wilhelm Wagner zu Beobachtern an der Sternwarte der Akademie ernannt. Kirch zog zurück nach Berlin, um gemeinsam mit ihrer Tochter Christine als Assistentin ihres Sohnes zu arbeiten. Sie arbeitete wieder an der Akademiesternwarte und berechnete Kalendarien. Männliche Akademiemitglieder beschwerten sich, dass sie eine zu prominente Rolle einnehme und „zu sehr auf der Sternwarte sichtbar sei, wenn Fremde zu Besuch kommen“. Kirch wurde angewiesen, „sich in den Hintergrund zurückzuziehen und das Reden … ihrem Sohn zu überlassen“. Kirch weigerte sich und wurde von der Akademie gezwungen, ihr Haus auf dem Gelände der Sternwarte aufzugeben.
Kirch arbeitete privat weiter. Kirch starb am 29. Dezember 1720 in Berlin an einem Fieber.