Gottfried Kirch dio a su esposa más instrucción en astronomía, como hizo con su hermana y muchos otros estudiantes. A las mujeres no se les permitía asistir a las universidades en Alemania, pero el trabajo de la astronomía y la observación de los cielos, tenía lugar en gran medida fuera de las universidades. Así, Kirch se convirtió en una de las pocas mujeres activas en astronomía en el siglo XVIII. Llegó a ser ampliamente conocida como la Kirchin, la versión femenina del nombre de la familia. En el Sacro Imperio Romano Germánico no era inaudito que una mujer se dedicara a la astronomía. Maria Cunitz, Elisabeth Hevelius y Maria Clara Eimmart habían sido astrónomas activas en el siglo XVII.
A través de un edicto, Federico III introdujo el monopolio de los calendarios en Brandeburgo, y más tarde en Prusia, imponiendo un impuesto sobre el calendario. Los ingresos de este monopolio se destinaron a pagar a los astrónomos y a los miembros de la Academia de Ciencias de Berlín que Federico III fundó en julio de 1700. Federico III también construyó un observatorio que se inauguró en enero de 1711. Ayudado por su esposa, Gottfried Kirch preparó el primer calendario de una serie, titulado Chur-Brandenburgischer Verbesserter Calender Auff das Jahr Christi 1701, que se hizo muy popular.
Maria y Gottfried trabajaron juntos como un equipo. Como es típico en el gremio, ella pasó de ser aprendiz de Arnold a asistente de su marido. Su marido había estudiado astronomía en la Universidad de Jena y había sido aprendiz de Johannes Hevelius. En la academia trabajó como su asistente no oficial, pero reconocida. La posición de las mujeres en las ciencias era similar a su posición en los gremios, valorada, pero subordinada. Juntas realizaban observaciones y cálculos para elaborar calendarios y efemérides.
Desde 1697, las Kirch también comenzaron a registrar información meteorológica. Sus datos se utilizaron para elaborar calendarios y almanaques y también fueron muy útiles para la navegación. La Academia de Ciencias de Berlín se encargaba de la venta de sus calendarios.
Durante la primera década de su trabajo en la academia como asistente de su marido, Kirch observaba los cielos, cada noche a partir de las 21 horas. El 21 de abril de 1702 Kirch descubrió el llamado «cometa de 1702» (C/1702 H1). Hoy en día no cabe duda de la prioridad de Kirch en el descubrimiento del C/1702 H1. En sus notas de esa noche su marido registró:
«Temprano por la mañana (sobre las 2:00 AM) el cielo estaba claro y estrellado. Algunas noches antes, yo había observado una estrella variable y mi esposa (mientras yo dormía) quiso encontrarla y verla por sí misma. Al hacerlo, encontró un cometa en el cielo. En ese momento me despertó y comprobé que efectivamente era un cometa… Me sorprendió no haberlo visto la noche anterior».
La única revista científica alemana de la época, Acta Eruditorum, estaba en latín. Las publicaciones posteriores de Kirch en su propio nombre fueron todas en alemán. En aquella época, su marido no ocupaba una cátedra independiente en la academia y los Kirch trabajaban en equipo en problemas comunes. La pareja observaba los cielos juntos: él observaba el norte y ella el sur, realizando observaciones que una sola persona no podría haber llevado a cabo con precisión.
Kirch continuó con sus trabajos de astronomía, publicando en alemán bajo su propio nombre, y con el debido reconocimiento. Sus publicaciones, que incluían sus observaciones sobre la Aurora Boreal (1707), el folleto Von der Conjunction der Sonne des Saturni und der Venus sobre la conjunción del sol con Saturno y Venus (1709), y la aproximación de la conjunción de Júpiter y Saturno en 1712 se convirtieron en sus contribuciones duraderas a la astronomía. Antes de Kirch, la única mujer astrónoma del Sacro Imperio Romano Germánico que había publicado con su propio nombre había sido Maria Cunitz. El amigo de la familia y vicepresidente de la Academia de Ciencias de Berlín, Alphonse des Vignoles, dijo en el elogio de Kirch «Si se considera la reputación de Frau Kirch y Frau Cunitz, hay que admitir que no hay ninguna rama de la ciencia… en la que las mujeres no sean capaces de alcanzar logros, y que en astronomía, en particular, Alemania se lleva el premio por encima de todos los demás estados de Europa».
En 1709 el presidente de la Academia de Ciencias de Berlín, Gottfried von Leibniz, la presentó ante la corte prusiana, donde Kirch explicó sus avistamientos de manchas solares. Dijo de ella:
«Hay una mujer muy culta que podría pasar por una rareza. Su logro no está en la literatura o la retórica, sino en las doctrinas más profundas de la astronomía… No creo que esta mujer encuentre fácilmente su igual en la ciencia en la que sobresale… Es partidaria del sistema copernicano (la idea de que el sol está en reposo) como todos los astrónomos eruditos de nuestro tiempo. Y es un placer oírla defender ese sistema a través de la Sagrada Escritura en la que también es muy docta. Observa con los mejores observadores y sabe manejar maravillosamente el cuadrante y el telescopio».
Tras la muerte de su marido en 1710, Kirch intentó asumir su puesto de astrónoma y calendaria en la Real Academia de Ciencias. A pesar de que su petición fue apoyada por Leibniz, el presidente de la academia, el consejo ejecutivo de la misma rechazó su demanda de un puesto formal diciendo que «lo que le concedemos podría servir de ejemplo en el futuro», es decir, que no querían sentar un precedente nombrando a una mujer. En su petición, Kirch expuso sus cualificaciones para el puesto. Formuló su solicitud en términos aceptables para la época, argumentando que estaba bien cualificada porque había sido instruida por su marido en el cálculo y la observación astronómicos. Subrayó que se había dedicado a la astronomía desde su matrimonio y que había trabajado en la academia desde el nombramiento de su marido diez años antes. En su petición, Kirch dijo que «durante algún tiempo, mientras mi querido y difunto marido estaba débil y enfermo, preparé el calendario a partir de sus cálculos y lo publiqué bajo su nombre». Para Kirch, un nombramiento en la academia no habría sido sólo una marca de honor, sino que era vital para asegurar un ingreso para ella y sus hijos. En su petición decía que su marido no le había dejado medios de subsistencia. En la antigua tradición gremial de los oficios, habría sido posible que Kirch ocupara el puesto de su marido después de su muerte, pero las nuevas instituciones de la ciencia tendían a no seguir esa tradición.
Aunque Kirch había llevado a cabo una importante labor en la academia, no tenía un título universitario, que en aquella época tenían casi todos los miembros de la academia. Además, su género fue un obstáculo para su nombramiento. El secretario de la Academia de Ciencias de Berlín, Johann Theodor Jablonski, advirtió a Leibniz de que «mantenerla con carácter oficial para que trabaje en el calendario o continúe con las observaciones simplemente no servirá». Ya en vida de su marido la academia fue objeto de burlas porque su calendario era preparado por una mujer. Si ahora se la mantuviera en esa función, las bocas se abrirían aún más». Leibniz fue el único miembro del consejo de la academia que apoyó su nombramiento e intentó conseguirle ayuda económica.
Kirch consideró que sus peticiones fueron denegadas debido a su sexo. Esto se ve respaldado en cierto modo por el hecho de que Johann Heinrich Hoffmann, que tenía poca experiencia, fue nombrado en el lugar de su marido en lugar de ella. Hoffmann no tardó en retrasarse en su trabajo y no realizó las observaciones requeridas. Incluso se sugirió que Kirch se convirtiera en su ayudante. Kirch escribió: «Ahora atravieso un severo desierto, y como… el agua escasea… el sabor es amargo». Sin embargo, en un logro excepcional para la época fue admitida por la Academia de Ciencias de Berlín.
En 1711, publicó Die Vorbereitung zug grossen Opposition, un panfleto muy bien recibido en el que predecía un nuevo cometa, seguido de un panfleto sobre Júpiter y Saturno. En 1712, Kirch aceptó el patrocinio de Bernhard Friedrich von Krosigk, que era un entusiasta astrónomo aficionado, y comenzó a trabajar en su observatorio. Ella y su marido habían trabajado en el observatorio de Krosigk mientras se construía el observatorio de la academia. En el observatorio de Krosigk alcanzó el rango de maestra astrónoma.
Tras la muerte del barón von Krosigk en 1714, Kirch se trasladó a Danzig para ayudar a un profesor de matemáticas durante un corto periodo de tiempo antes de regresar. En 1716, Kirch y su hijo, que acababa de terminar la universidad, recibieron una oferta para trabajar como astrónomos para el zar ruso Pedro el Grande, pero prefirió quedarse en Berlín, donde continuó calculando calendarios para localidades como Nuremberg, Dresde, Breslau y Hungría.
Entrenó a su hijo Christfried Kirch y a sus hijas Christine Kirch y Margaretha Kirch para que actuaran como sus ayudantes en el trabajo astronómico de la familia, continuando la producción de calendarios y almanaques, así como realizando observaciones. En 1716, su hijo Christfried y Johann Wilhelm Wagner fueron nombrados observadores del observatorio de la academia tras la muerte de Hoffmann. Kirch se trasladó de nuevo a Berlín para actuar como asistente de su hijo junto con su hija Christine. Volvió a trabajar en el observatorio de la academia calculando calendarios. Los miembros masculinos de la academia se quejaron de que ella asumía un papel demasiado destacado y era «demasiado visible en el observatorio cuando los extraños la visitaban». Se ordenó a Kirch que «se retirara a un segundo plano y dejara la charla a… su hijo». Kirch se negó a cumplir y la academia la obligó a abandonar su casa en los terrenos del observatorio.
Kirch siguió trabajando en privado. Kirch murió de fiebre en Berlín el 29 de diciembre de 1720.