Gottfried Kirch deu à sua esposa mais instrução em astronomia, como fez com a sua irmã e muitos outros estudantes. As mulheres não podiam freqüentar universidades na Alemanha, mas o trabalho de astronomia e a observação dos céus, acontecia em grande parte fora das universidades. Assim, Kirch tornou-se uma das poucas mulheres activas na astronomia nos anos 1700. Ela tornou-se amplamente conhecida como Kirchin, a versão feminina do nome da família. Não era inédito no Sacro Império Romano que uma mulher deveria ser ativa em astronomia. Maria Cunitz, Elisabeth Hevelius e Maria Clara Eimmart tinham sido astrônomos ativos no século XVII.
Por meio de um édito, Friedrich III introduziu o monopólio dos calendários em Brandenburg, e mais tarde na Prússia, impondo um imposto de calendário. A renda desse monopólio era para pagar astrônomos e membros da Academia de Ciências de Berlim que Friedrich III fundou em julho de 1700. Friedrich III também continuou a construir um observatório que foi inaugurado em janeiro de 1711. Assistido por sua esposa, Gottfried Kirch preparou o primeiro calendário de uma série, intitulada Chur-Brandenburgischer Verbesserter Calender Auff das Jahr Christi 1701, que se tornou muito popular.
Maria e Gottfried trabalharam juntos como uma equipe. De forma tipicamente guild, ela avançou de sua posição como aprendiz de Arnold, para se tornar assistente de seu marido. Seu marido tinha estudado astronomia na Universidade de Jena e tinha servido como aprendiz de Johannes Hevelius. Na academia, ela trabalhou como sua assistente não oficial, mas reconhecida. A posição das mulheres nas ciências era semelhante à sua posição nas guildas, valorizada, mas subordinada. Juntas elas faziam observações e cálculos para produzir calendários e efemérides.
A partir de 1697, os Kirchs também começaram a registar informações meteorológicas. Os seus dados foram utilizados para produzir calendários e almanaques e também foram muito úteis na navegação. A Academia de Ciências em Berlim tratava das vendas de seus calendários.
Durante a primeira década de seu trabalho na academia como assistente de seu marido Kirch observava os céus, todas as noites a partir das 21 horas. Em 21 de Abril de 1702 Kirch descobriu o chamado “Cometa de 1702” (C/1702 H1). Hoje não há dúvidas sobre a prioridade de Kirch em descobrir o C/1702 H1. Nas suas notas daquela noite o marido dela gravou:
“De manhã cedo (cerca das 2:00 da manhã) o céu estava limpo e estrelado. Algumas noites antes, eu tinha observado uma estrela variável e minha esposa (enquanto eu dormia) queria encontrá-la e vê-la por si mesma. Ao fazer isso, ela encontrou um cometa no céu. Nessa altura ela acordou-me, e eu descobri que era de facto um cometa. Fiquei surpreendido por não o ter visto na noite anterior”.
A única revista científica da Alemanha da época, Acta Eruditorum, estava em latim. As publicações subsequentes de Kirch, em seu próprio nome, estavam todas em alemão. Na época, seu marido não ocupava uma cadeira independente na academia e os Kirchs trabalhavam em equipe em problemas comuns. O casal observou os céus juntos: ele observou o norte e ela o sul, fazendo observações que uma única pessoa não poderia ter conduzido com precisão.
Kirch continuou a seguir seu trabalho de astronomia, publicando em alemão sob seu próprio nome, e com o devido reconhecimento. Suas publicações, que incluíram suas observações sobre a Aurora Boreal (1707), o panfleto Von der Conjunction der Sonne des Saturni und der Venus sobre a conjunção do sol com Saturno e Vênus (1709), e a aproximação da conjunção de Júpiter e Saturno em 1712 se tornaram suas contribuições duradouras para a astronomia. Antes de Kirch a única astrônoma feminina do Sacro Império Romano que havia publicado sob seu próprio nome havia sido Maria Cunitz. O amigo da família e vice-presidente da Academia das Ciências de Berlim, Alphonse des Vignoles, disse no elogio de Kirch: “Se considerarmos as reputações de Frau Kirch e Frau Cunitz, devemos admitir que não existe um ramo da ciência… no qual as mulheres não sejam capazes de realizar, e que na astronomia, em particular, a Alemanha leva o prémio acima de todos os outros estados da Europa”
Em 1709 o presidente da Academia das Ciências de Berlim, Gottfried von Leibniz, apresentou-a à corte prussiana, onde Kirch explicou os seus avistamentos de manchas solares. Ele disse sobre ela:
“Há uma mulher muito erudita que poderia passar como uma raridade. Sua realização não está na literatura ou na retórica, mas nas doutrinas mais profundas da astronomia… Não acredito que esta mulher a encontre facilmente igual na ciência em que se distingue… Ela favorece o sistema copernicano (a idéia de que o sol está em repouso) como todos os astrônomos cultos do nosso tempo. E é um prazer ouvi-la defender esse sistema através da Sagrada Escritura, na qual ela também é muito instruída. Ela observa com os melhores observadores e sabe manusear maravilhosamente o quadrante e o telescópio”.
Após a morte de seu marido em 1710, Kirch tentou assumir seu lugar como astrônomo e criador de calendários na Real Academia de Ciências. Apesar de sua petição ser apoiada por Leibniz, presidente da academia, o conselho executivo da academia rejeitou sua exigência de um cargo formal dizendo que “o que lhe concedemos poderia servir de exemplo no futuro”, ou seja, eles não quiseram abrir um precedente com a nomeação de uma mulher. Na sua petição, Kirch expôs as suas qualificações para o cargo. Ela apresentou sua candidatura nos termos aceitáveis aos tempos, argumentando que estava bem qualificada porque tinha sido instruída por seu marido em cálculos astronômicos e observação. Ela enfatizou que ela se dedicava ao trabalho astronômico desde seu casamento e que trabalhava na academia desde a nomeação de seu marido dez anos antes. Em sua petição, Kirch disse que “durante algum tempo, enquanto meu querido falecido marido estava fraco e doente, eu preparei o calendário a partir de seus cálculos e o publiquei sob seu nome”. Para Kirch, uma nomeação na academia não teria sido apenas uma marca de honra, mas foi vital para garantir uma renda para ela e seus filhos. Em sua petição, ela disse que seu marido não a tinha deixado com meios de apoio. Na velha tradição do ofício, teria sido possível que Kirch assumisse o cargo de seu marido após sua morte, mas as novas instituições de ciência tenderam a não seguir essa tradição.
Embora Kirch tivesse realizado um trabalho importante na academia, ela não tinha um diploma universitário, o que naquela época quase todos os membros da academia tinham. Mais precisamente, o seu género trabalhava contra a sua nomeação. O secretário da Academia de Ciências de Berlim Johann Theodor Jablonski advertiu Leibniz “que ela seja mantida na sua capacidade oficial para trabalhar no calendário ou para continuar com observações simplesmente não o fará”. Já durante a vida do marido, a Academia foi sobrecarregada com o ridículo porque o seu calendário foi preparado por uma mulher. Se agora ela fosse mantida nessa capacidade, as bocas se alargariam ainda mais”. Leibniz foi o único membro do conselho da academia que apoiou a sua nomeação e tentou assegurar assistência financeira para ela.
Kirch sentiu que as suas petições foram negadas devido ao seu sexo. Isto é algo apoiado pelo fato de Johann Heinrich Hoffmann, que tinha pouca experiência, ter sido nomeado para o lugar de seu marido, em vez dela. Hoffmann logo ficou para trás com seu trabalho e não conseguiu fazer as observações necessárias. Foi até sugerido que Kirch se tornasse seu assistente. Kirch escreveu: “Agora passo por um deserto grave, e porque… a água é escassa… o gosto é amargo”. No entanto, num feito excepcional para os tempos em que foi admitida pela Academia das Ciências de Berlim.
Em 1711, publicou Die Vorbereitung zug grossen Opposition, um panfleto bem recebido no qual previu um novo cometa, seguido de um panfleto sobre Júpiter e Saturno. Em 1712, Kirch aceitou o patrocínio de Bernhard Friedrich von Krosigk, que era um astrônomo amador entusiasta, e começou a trabalhar em seu observatório. Ela e seu marido haviam trabalhado no observatório de Krosigk enquanto o observatório da academia estava sendo construído. No observatório de Krosigk ela alcançou o posto de mestre astrônoma.
Depois da morte do Barão von Krosigk em 1714 Kirch mudou-se para Danzig para assistir um professor de matemática por um curto período de tempo antes de retornar. Em 1716, Kirch e seu filho, que tinha acabado de terminar a universidade, receberam uma oferta para trabalhar como astrônomos para o czar Pedro o Grande russo, mas preferiram permanecer em Berlim, onde ela continuou a calcular calendários para locais como Nuremberg, Dresden, Breslau e Hungria.
Ela treinou seu filho Christfried Kirch e as filhas Christine Kirch e Margaretha Kirch para atuar como suas assistentes no trabalho astronômico da família, continuando a produção de calendários e almanaques, bem como fazendo observações. Em 1716, seu filho Christfried e Johann Wilhelm Wagner foram nomeados observadores no observatório da academia, após a morte de Hoffmann. Kirch voltou para Berlim para atuar como assistente de seu filho junto com sua filha Christine. Ela estava mais uma vez trabalhando no observatório da academia, calculando calendários. Os membros da academia masculina reclamaram que ela assumiu um papel proeminente demais e que era “muito visível no observatório quando estranhos a visitam”. Kirch foi ordenado a “retirar-se para o fundo e deixar a conversa para… o filho dela”. Kirch recusou-se a cumprir e foi forçado pela academia a desistir da sua casa no observatório.
Kirch continuou a trabalhar em privado. Kirch morreu de febre em Berlim, a 29 de Dezembro de 1720.