Gottfried Kirch antoi vaimolleen lisäopetusta tähtitieteessä, kuten hän teki sisarelleen ja monille muillekin oppilaille. Naiset eivät Saksassa saaneet opiskella yliopistoissa, mutta tähtitieteen ja taivaan tarkkailun työ tapahtui suurelta osin yliopistojen ulkopuolella. Näin Kirchistä tuli yksi niistä harvoista naisista, jotka olivat aktiivisia tähtitieteen parissa 1700-luvulla. Hänet tunnettiin laajalti nimellä Kirchin, joka on sukunimen naisellinen versio. Pyhässä saksalais-roomalaisessa valtakunnassa ei ollut ennenkuulumatonta, että nainen toimi aktiivisesti tähtitieteen parissa. Maria Cunitz, Elisabeth Hevelius ja Maria Clara Eimmart olivat olleet aktiivisia tähtitieteilijöitä 1600-luvulla.
Friedrik III otti ediktillä käyttöön kalenterimonopolin Brandenburgissa ja myöhemmin Preussissa määräämällä kalenteriveron. Tästä monopolista saaduilla tuloilla oli tarkoitus maksaa tähtitieteilijöille ja Friedrich III:n heinäkuussa 1700 perustaman Berliinin tiedeakatemian jäsenille. Friedrich III rakennutti myös observatorion, joka vihittiin käyttöön tammikuussa 1711. Gottfried Kirch laati vaimonsa avustuksella sarjan ensimmäisen kalenterin nimeltä Chur-Brandenburgischer Verbesserter Calender Auff das Jahr Christi 1701, josta tuli hyvin suosittu.
Maria ja Gottfried työskentelivät yhdessä tiiminä. Killalle tyypilliseen tapaan hän eteni Arnoldin oppipojan asemasta miehensä avustajaksi. Hänen miehensä oli opiskellut tähtitiedettä Jenan yliopistossa ja toiminut Johannes Heveliuksen oppipoikana. Akatemiassa hän toimi tämän epävirallisena mutta tunnustettuna avustajana. Naisten asema tieteissä oli samankaltainen kuin heidän asemansa killoissa: arvostettu, mutta alisteinen. Yhdessä he tekivät havaintoja ja laskelmia kalentereita ja ephemeridejä varten.
Vuodesta 1697 alkaen Kirchit alkoivat myös tallentaa säätietoja. Heidän tietojaan käytettiin kalenterien ja almanakkojen tuottamiseen, ja niistä oli paljon hyötyä myös navigoinnissa. Berliinin tiedeakatemia hoiti heidän kalenteriensa myynnin.
Työskentelynsä ensimmäisen vuosikymmenen aikana akatemiassa miehensä assistenttina Kirch havainnoi taivasta joka ilta kello 21.00. Tällaisen rutiinihavainnon aikana hän löysi komeetan. Huhtikuun 21. päivänä 1702 Kirch löysi niin sanotun ”vuoden 1702 komeetan” (C/1702 H1). Nykyään ei ole epäilystäkään siitä, etteikö Kirch olisi ollut etusijalla C/1702 H1:n löytämisessä. Muistiinpanoihinsa tuolta yöltä hänen miehensä kirjasi:
”Varhain aamulla (noin klo 2:00) taivas oli kirkas ja tähtikirkas. Muutamana edellisenä yönä olin havainnut muuttuvan tähden, ja vaimoni (nukkuessani) halusi löytää ja nähdä sen itse. Näin tehdessään hän löysi taivaalta komeetan. Silloin hän herätti minut, ja huomasin, että se oli todellakin komeetta… Olin yllättynyt, etten ollut nähnyt sitä edellisenä yönä.”
Saksan ainoa tieteellinen aikakauslehti Acta Eruditorum oli tuolloin latinankielinen. Kirchin myöhemmät julkaisut hänen omissa nimissään olivat kaikki saksankielisiä. Hänen miehellään ei tuolloin ollut itsenäistä professuuria akatemiassa, ja Kirchit työskentelivät tiiminä yhteisten ongelmien parissa. Pariskunta havainnoi yhdessä taivasta: mies havainnoi pohjoista ja nainen etelää tehden havaintoja, joita yksittäinen henkilö ei olisi voinut tehdä tarkasti.
Kirch jatkoi tähtitieteellistä työtään julkaisemalla saksaksi omalla nimellään ja asianmukaisella tunnustuksella. Hänen julkaisuistaan, joihin kuuluivat hänen havaintonsa revontulista (1707), pamfletti Von der Conjunction der Sonne des Saturni und der Venus auringon konjunktiosta Saturnuksen ja Venuksen kanssa (1709) sekä Jupiterin ja Saturnuksen lähestyvästä konjunktiosta vuonna 1712, tuli hänen pysyvä panoksensa tähtitieteeseen. Ennen Kirchiä ainoa naispuolinen tähtitieteilijä Pyhässä saksalais-roomalaisessa valtakunnassa, joka oli julkaissut omalla nimellään, oli Maria Cunitz. Perheen ystävä ja Berliinin tiedeakatemian varapuheenjohtaja Alphonse des Vignoles sanoi Kirchin muistopuheessa: ”Jos tarkastellaan Frau Kirchin ja Frau Cunitzin mainetta, on myönnettävä, että ei ole mitään tieteenalaa… jossa naiset eivät kykenisi saavutuksiin, ja että erityisesti tähtitieteessä Saksa vie palkinnon kaikkien muiden Euroopan valtioiden yläpuolella.”
Vuonna 1709 Berliinin tiedeakatemian presidentti Gottfried von Leibniz esitteli hänet Preussin hoville, jossa Kirch selitti havaintojaan auringonpilkkuista. Hän sanoi hänestä seuraavaa:
”On olemassa mitä oppinein nainen, joka voisi kulkea harvinaisuutena. Hänen saavutuksensa ei ole kirjallisuudessa tai retoriikassa vaan tähtitieteen syvällisimmissä opeissa… En usko, että tämä nainen löytää helposti vertaistaan siinä tieteessä, jossa hän on erinomainen… Hän kannattaa kopernikaanista järjestelmää (ajatusta, jonka mukaan aurinko on levossa) kuten kaikki aikamme oppineet tähtitieteilijät. Ja on ilo kuulla hänen puolustavan tätä järjestelmää Pyhän Kirjoituksen avulla, jossa hän on myös hyvin oppinut. Hän tarkkailee parhaiden tarkkailijoiden kanssa ja osaa käsitellä ihmeellisesti kvadranttia ja kaukoputkea.”
Miehensä kuoltua vuonna 1710 Kirch yritti ottaa hänen paikkansa tähtitieteilijänä ja kalenterinvalmistajana Kuninkaallisessa tiedeakatemiassa. Huolimatta siitä, että akatemian puheenjohtaja Leibniz tuki hänen anomustaan, akatemian toimeenpaneva neuvosto hylkäsi hänen vaatimuksensa virallisesta virasta sanomalla, että ”se, mitä myönnämme hänelle, voisi toimia esimerkkinä tulevaisuudessa”, eli he eivät halunneet luoda ennakkotapausta nimittämällä naisen. Kirch esitti vetoomuksessaan pätevyytensä virkaan. Hän muotoili hakemuksensa aikakauden hyväksymin termein ja väitti olevansa pätevä, koska hänen miehensä oli opettanut hänelle tähtitieteellisiä laskelmia ja havaintoja. Hän korosti, että hän oli tehnyt tähtitieteellisiä töitä avioliitostaan lähtien ja että hän oli työskennellyt akatemiassa siitä lähtien, kun hänen miehensä oli nimitetty akatemiaan kymmenen vuotta aikaisemmin. Kirch totesi vetoomuksessaan, että ”jonkin aikaa, kun rakas edesmennyt aviomieheni oli heikko ja sairas, laadin kalenterin hänen laskelmistaan ja julkaisin sen hänen nimissään”. Kirchille nimitys akatemiaan ei olisi ollut pelkkä kunniamerkki, vaan se oli elintärkeää hänen ja hänen lastensa toimeentulon turvaamiseksi. Hän totesi vetoomuksessaan, että hänen miehensä ei ollut jättänyt hänelle varoja elatukseen. Vanhassa ammattien kiltaperinteessä Kirchin olisi ollut mahdollista ottaa miehensä asema tämän kuoltua, mutta uudet tiedeinstituutiot eivät yleensä noudattaneet tätä perinnettä.
Vaikka Kirch oli tehnyt akatemiassa tärkeää työtä, hänellä ei ollut yliopistotutkintoa, joka tuohon aikaan oli lähes kaikilla akatemian jäsenillä. Mikä tärkeämpää, hänen sukupuolensa vaikutti hänen nimitystään vastaan. Berliinin tiedeakatemian sihteeri Johann Theodor Jablonski varoitti Leibniziä: ”Se, että hänet pidettäisiin virallisessa ominaisuudessa kalenterin parissa työskentelemässä tai jatkamassa havaintojen tekemistä, ei yksinkertaisesti käy. Jo hänen miehensä elinaikana akatemiaa rasitti pilkka, koska sen kalenteria valmisteli nainen. Jos hänet nyt pidettäisiin tällaisessa tehtävässä, suupielet avautuisivat vielä suuremmiksi”. Leibniz oli ainoa akatemian neuvoston jäsen, joka kannatti hänen nimitystään ja yritti saada hänelle taloudellista tukea.
Kirch koki, että hänen vetoomuksensa hylättiin hänen sukupuolensa vuoksi. Tätä tukee jossain määrin se, että Johann Heinrich Hoffmann, jolla oli vain vähän kokemusta, nimitettiin hänen miehensä paikalle hänen sijastaan. Hoffmann jäi pian jälkeen työssään eikä tehnyt vaadittuja havaintoja. Ehdotettiin jopa, että Kirchistä tulisi hänen avustajansa. Kirch kirjoitti: ”Nyt kuljen läpi ankaran autiomaan, ja koska… vettä on niukasti… maku on karvas”. Ajan poikkeuksellisena saavutuksena hän pääsi kuitenkin Berliinin tiedeakatemiaan.
Vuonna 1711 hän julkaisi hyvin vastaanotetun pamfletin Die Vorbereitung zug grossen Opposition, jossa hän ennusti uuden komeetan, jota seurasi Jupiteria ja Saturnia koskeva pamfletti. Vuonna 1712 Kirch otti suojelukseensa Bernhard Friedrich von Krosigkin, joka oli innokas amatööriastronomi, ja aloitti työt observatoriossaan. Hän ja hänen miehensä olivat työskennelleet Krosigkin observatoriossa, kun akatemian observatoriota rakennettiin. Krosigkin observatoriossa hän saavutti tähtitieteilijämestarin arvon.
Kun paroni von Krosigk kuoli vuonna 1714, Kirch muutti Danzigiin avustamaan matematiikan professoria lyhyen aikaa ennen paluutaan. Vuonna 1716 Kirch ja hänen poikansa, joka oli juuri valmistunut yliopistosta, saivat tarjouksen työskennellä tähtitieteilijöinä Venäjän tsaari Pietari Suurelle, mutta Kirch halusi mieluummin jäädä Berliiniin, jossa hän jatkoi kalenterien laskemista muun muassa Nürnbergin, Dresdenin, Breslaun ja Unkarin kaltaisille paikkakunnille.
Hän koulutti poikansa Christfried Kirchin ja tyttärensä Christine Kirchin ja Margaretha Kirchin toimimaan apulaisinaan suvun tähtitieteellisessä työssään jatkaen kalenterien ja almanakkakirjojen tuottamista sekä havaintojen tekemistä. Vuonna 1716 hänen poikansa Christfried ja Johann Wilhelm Wagner nimitettiin Hoffmannin kuoleman jälkeen akatemian observatorion tarkkailijoiksi. Kirch muutti takaisin Berliiniin toimiakseen poikansa avustajana yhdessä tyttärensä Christinen kanssa. Hän työskenteli jälleen akatemian observatoriossa laskemassa kalentereita. Akatemian miespuoliset jäsenet valittivat, että hän otti liian näkyvän roolin ja oli ”liian näkyvillä observatoriossa vieraiden vieraiden vieraillessa”. Kirch määrättiin ”vetäytymään taka-alalle ja jättämään puhuminen… pojalleen”. Kirch kieltäytyi tottelemasta ja akatemia pakotti hänet luopumaan talostaan observatorion alueella.
Kirch jatkoi työskentelyä yksityisesti. Kirch kuoli kuumeeseen Berliinissä 29. joulukuuta 1720.