Gottfried Kirch onderwees zijn vrouw verder in de astronomie, zoals hij dat ook voor zijn zuster en vele andere studenten deed. Vrouwen mochten in Duitsland niet naar de universiteit, maar het werk van de astronomie en de waarneming van de hemel vond grotendeels buiten de universiteiten plaats. Zo werd Kirch een van de weinige vrouwen die actief waren in de astronomie in de jaren 1700. Zij werd algemeen bekend als Kirchin, de vrouwelijke versie van de familienaam. Het was in het Heilige Roomse Rijk niet ongehoord dat een vrouw actief was in de astronomie. Maria Cunitz, Elisabeth Hevelius, en Maria Clara Eimmart waren in de zeventiende eeuw actieve astronomen.
Met een edict voerde Friedrich III een monopolie in voor kalenders in Brandenburg, en later Pruisen, door het opleggen van een kalenderbelasting. De inkomsten uit dit monopolie dienden om astronomen en leden van de Berlijnse Academie van Wetenschappen, die Friedrich III in juli 1700 oprichtte, te betalen. Friedrich III liet ook een observatorium bouwen dat in januari 1711 werd ingewijd. Gottfried Kirch stelde met hulp van zijn vrouw de eerste kalender van een reeks op, getiteld Chur-Brandenburgischer Verbesserter Kalender Auff das Jahr Christi 1701, die zeer populair werd.
Maria en Gottfried werkten samen als een team. Op typische gildenmanier klom zij op van Arnolds leerlinge tot assistente van haar man. Haar man had astronomie gestudeerd aan de universiteit van Jena en was in de leer geweest bij Johannes Hevelius. Op de academie werkte zij als zijn onofficiële, maar erkende assistente. De positie van vrouwen in de wetenschappen was vergelijkbaar met hun positie in de gilden, gewaardeerd, maar ondergeschikt. Samen deden ze waarnemingen en berekeningen om kalenders en efemeriden te maken.
Vanaf 1697 begonnen de Kirchs ook weersinformatie te registreren. Hun gegevens werden gebruikt om kalenders en almanakken te maken en ze waren ook zeer nuttig voor de navigatie. De Academie van Wetenschappen in Berlijn verzorgde de verkoop van hun kalenders.
Tijdens het eerste decennium van haar werk aan de academie als assistente van haar man observeerde Kirch de hemel, elke avond vanaf 21.00 uur. Tijdens zo’n routine-observatie ontdekte ze een komeet. Op 21 april 1702 ontdekte Kirch de zogenaamde “Komeet van 1702” (C/1702 H1). Tegenwoordig bestaat er geen twijfel meer over Kirch’ prioriteit bij de ontdekking van C/1702 H1. In zijn aantekeningen van die nacht noteerde haar echtgenoot:
“Vroeg in de morgen (omstreeks 2.00 uur) was de hemel helder en sterrenrijk. Een paar nachten eerder had ik een veranderlijke ster waargenomen en mijn vrouw (terwijl ik sliep) wilde die ster zelf gaan zoeken en bekijken. Daarbij vond ze een komeet aan de hemel. Op dat moment maakte ze me wakker, en ik ontdekte dat het inderdaad een komeet was… Ik was verbaasd dat ik hem de vorige nacht niet had gezien”.
Het enige wetenschappelijke tijdschrift van Duitsland in die tijd, Acta Eruditorum, was in het Latijn. De latere publicaties van Kirch onder haar eigen naam waren allemaal in het Duits. In die tijd had haar man geen onafhankelijke leerstoel aan de academie en werkten de Kirchs als een team aan gemeenschappelijke problemen. Het echtpaar observeerde samen de hemel: hij observeerde het noorden en zij het zuiden, en deed waarnemingen die een enkele persoon niet nauwkeurig had kunnen uitvoeren.
Kirch bleef haar astronomische werk voortzetten, en publiceerde in het Duits onder haar eigen naam, en met de juiste erkenning. Haar publicaties, waaronder haar waarnemingen van de Aurora Borealis (1707), het pamflet Von der Conjunction der Sonne des Saturni und der Venus over de conjunctie van de zon met Saturnus en Venus (1709), en de naderende conjunctie van Jupiter en Saturnus in 1712 werden haar blijvende bijdragen aan de astronomie. Vóór Kirch was Maria Cunitz de enige vrouwelijke astronome in het Heilige Roomse Rijk geweest die onder haar eigen naam had gepubliceerd. De familievriend en vice-president van de Berlijnse Academie van Wetenschappen, Alphonse des Vignoles zei in Kirch’ lofrede: “Als men de reputaties van Frau Kirch en Frau Cunitz beschouwt, moet men toegeven dat er geen tak van wetenschap is… waarin vrouwen niet tot prestaties in staat zijn, en dat Duitsland met name in de astronomie boven alle andere staten van Europa uitsteekt.”
In 1709 presenteerde de voorzitter van de Berlijnse Academie van Wetenschappen, Gottfried von Leibniz, haar aan het Pruisische hof, waar Kirch haar waarnemingen van zonnevlekken uitlegde. Hij zei over haar:
“Er is een zeer geleerde vrouw die als een zeldzaamheid zou kunnen doorgaan. Haar prestaties liggen niet in de literatuur of de retorica, maar in de diepzinnigste leerstellingen van de astronomie… Ik geloof niet dat deze vrouw gemakkelijk haar gelijke vindt in de wetenschap waarin zij uitblinkt… Zij is voorstander van het Copernicaanse systeem (het idee dat de zon in rust is) zoals alle geleerde astronomen van onze tijd. En het is een genoegen haar dit systeem te horen verdedigen aan de hand van de Heilige Schrift, waarin zij eveneens zeer onderlegd is. Zij observeert met de beste waarnemers en weet uitstekend om te gaan met het kwadrant en de telescoop”.
Nadat haar man in 1710 overleed, probeerde Kirch zijn plaats als astronoom en kalendermaker in de Koninklijke Academie van Wetenschappen in te nemen. Hoewel haar verzoekschrift werd gesteund door Leibniz, de voorzitter van de academie, wees de raad van bestuur van de academie haar verzoek om een formele positie af met de opmerking dat “wat wij haar toestaan in de toekomst tot voorbeeld zou kunnen strekken”, dat wil zeggen dat zij geen precedent wensten te scheppen door een vrouw te benoemen. In haar verzoekschrift heeft Kirch haar kwalificaties voor de functie uiteengezet. Zij verwoordde haar kandidatuur in de termen die in die tijd aanvaardbaar waren, met het argument dat zij goed gekwalificeerd was omdat zij door haar man was onderricht in astronomische berekeningen en waarnemingen. Zij benadrukte dat zij zich sinds haar huwelijk met astronomisch werk had beziggehouden en dat zij sinds de benoeming van haar man tien jaar eerder aan de academie had gewerkt. In haar verzoekschrift zei Kirch dat “ik enige tijd, toen mijn lieve overleden echtgenoot zwak en ziek was, aan de hand van zijn berekeningen de kalender heb opgesteld en onder zijn naam heb gepubliceerd”. Voor Kirch zou een benoeming aan de academie niet alleen een teken van eer zijn geweest, maar van vitaal belang zijn geweest om een inkomen voor haar en haar kinderen veilig te stellen. In haar verzoekschrift zei zij dat haar man haar geen middelen van bestaan had nagelaten. In de oude gildetraditie van de ambachten zou het voor Kirch mogelijk zijn geweest de positie van haar man na diens dood over te nemen, maar de nieuwe instellingen van wetenschap volgden die traditie niet.
Hoewel Kirch belangrijk werk aan de academie had verricht, had zij geen universitair diploma, wat in die tijd bijna ieder lid van de academie had. Sterker nog, haar geslacht werkte tegen haar benoeming. De secretaris van de Berlijnse Academie van Wetenschappen, Johann Theodor Jablonski, waarschuwde Leibniz “dat zij in een officiële hoedanigheid zou worden gehandhaafd om aan de kalender te werken of om door te gaan met waarnemingen, is gewoon niet voldoende. Reeds tijdens het leven van haar man werd de academie met hoon overladen omdat haar kalender door een vrouw was opgesteld. Als zij nu in die hoedanigheid zou worden gehandhaafd, zouden de monden nog wijder openvallen”. Leibniz was het enige lid van de academieraad dat haar benoeming steunde en probeerde financiële steun voor haar te verkrijgen.
Kirch was van mening dat haar petities werden afgewezen vanwege haar geslacht. Dit wordt enigszins gestaafd door het feit dat Johann Heinrich Hoffmann, die weinig ervaring had, in de plaats van haar man werd benoemd. Hoffmann raakte al snel achter met zijn werk en slaagde er niet in de vereiste waarnemingen te doen. Er werd zelfs voorgesteld dat Kirch zijn assistent zou worden. Kirch schreef: “Nu ga ik door een barre woestijn, en omdat… water schaars is… is de smaak bitter”. In 1711 publiceerde zij Die Vorbereitung zug grossen Opposition, een goed ontvangen pamflet waarin zij een nieuwe komeet voorspelde, gevolgd door een pamflet over Jupiter en Saturnus. In 1712 aanvaardde Kirch het beschermheerschap van Bernhard Friedrich von Krosigk, die een enthousiast amateur-astronoom was, en begon te werken in zijn observatorium. Zij en haar man hadden bij Krosigk’s observatorium gewerkt toen het observatorium van de academie werd gebouwd. Bij Krosigk’s observatorium bereikte zij de rang van meester-astronoom.
Na de dood van Baron von Krosigk in 1714 verhuisde Kirch voor korte tijd naar Danzig om een professor in de wiskunde te assisteren, alvorens terug te keren. In 1716 kregen Kirch en haar zoon, die net klaar was met studeren, een aanbod om als astronoom te gaan werken voor de Russische tsaar Peter de Grote, maar ze bleef liever in Berlijn, waar ze kalenders bleef berekenen voor plaatsen als Neurenberg, Dresden, Breslau en Hongarije.
Ze leidde haar zoon Christfried Kirch en dochters Christine Kirch en Margaretha Kirch op om als haar assistenten te fungeren bij het astronomische werk van de familie, waarbij ze doorging met het maken van kalenders en almanakken en het doen van waarnemingen. In 1716 werden haar zoon Christfried en Johann Wilhelm Wagner na de dood van Hoffmann aangesteld als waarnemers bij de sterrenwacht van de academie. Kirch verhuisde terug naar Berlijn om samen met haar dochter Christine op te treden als assistente van haar zoon. Zij werkte weer op de sterrenwacht van de academie om kalenders te berekenen. Mannelijke academieleden klaagden dat zij een te prominente rol innam en “te zichtbaar was op de sterrenwacht wanneer vreemden op bezoek kwamen”. Kirch werd bevolen “zich terug te trekken op de achtergrond en het praten over te laten aan… haar zoon.” Kirch weigerde hieraan te voldoen en werd door de academie gedwongen haar huis op het terrein van de sterrenwacht op te geven.
Kirch bleef privé werken. Kirch stierf aan koorts in Berlijn op 29 december 1720.