Gottfried Kirch gav sin hustru ytterligare undervisning i astronomi, liksom han gjorde för sin syster och många andra elever. Kvinnor fick inte gå på universitet i Tyskland, men arbetet med astronomi och observation av himlen, ägde till stor del rum utanför universiteten. Kirch blev således en av de få kvinnor som var aktiva inom astronomin på 1700-talet. Hon blev allmänt känd som Kirchin, den feminina versionen av släktnamnet. Det var inte okänt i det heliga romerska riket att en kvinna skulle vara aktiv inom astronomi. Maria Cunitz, Elisabeth Hevelius och Maria Clara Eimmart hade varit aktiva astronomer på 1600-talet.
Med hjälp av ett edikt införde Friedrich III ett monopol på kalendrar i Brandenburg, och senare Preussen, genom att införa en kalenderskatt. Intäkterna från detta monopol skulle betala astronomer och medlemmar i Berlins vetenskapsakademi som Friedrich III grundade i juli 1700. Friedrich III fortsatte också att bygga ett observatorium som invigdes i januari 1711. Med hjälp av sin hustru utarbetade Gottfried Kirch den första kalendern i en serie med titeln Chur-Brandenburgischer Verbesserter Calender Auff das Jahr Christi 1701, som blev mycket populär.
Maria och Gottfried arbetade tillsammans som ett team. På ett typiskt sätt för gillet avancerade hon från sin position som Arnolds lärling till att bli assistent åt sin make. Hennes make hade studerat astronomi vid universitetet i Jena och varit lärling hos Johannes Hevelius. Vid akademin arbetade hon som hans inofficiella, men erkända assistent. Kvinnornas ställning inom vetenskaperna liknade deras ställning i gillen, de var uppskattade men underordnade. Tillsammans gjorde de observationer och utförde beräkningar för att ta fram kalendrar och efemerider.
Från 1697 började kyrkorna också registrera väderinformation. Deras uppgifter användes för att producera kalendrar och almanackor och de var också mycket användbara för navigering. Vetenskapsakademin i Berlin skötte försäljningen av deras kalendrar.
Under det första decenniet av sitt arbete vid akademin som sin mans assistent observerade Kirch himlen, varje kväll med början klockan 21.00. Under en sådan rutinobservation upptäckte hon en komet. Den 21 april 1702 upptäckte Kirch den så kallade kometen från 1702 (C/1702 H1). I dag råder det ingen tvekan om att Kirch hade prioritet när det gäller upptäckten av C/1702 H1. I sina anteckningar från den natten antecknade hennes make:
”Tidigt på morgonen (omkring klockan 2) var himlen klar och stjärnklar. Några nätter tidigare hade jag observerat en variabel stjärna och min fru (när jag sov) ville hitta och se den själv. När hon gjorde det hittade hon en komet på himlen. Då väckte hon mig och jag konstaterade att det verkligen var en komet… Jag blev förvånad över att jag inte hade sett den natten innan.”
Tysklands enda vetenskapliga tidskrift på den tiden, Acta Eruditorum, var på latin. Kirchs efterföljande publikationer i eget namn var alla på tyska. På den tiden hade hennes make inte någon självständig stol vid akademin och Kircharna arbetade som ett team med gemensamma problem. Paret observerade himlen tillsammans: han observerade norr och hon söder, och gjorde observationer som en enskild person inte hade kunnat genomföra på ett korrekt sätt.
Kirch fortsatte sitt astronomiska arbete och publicerade på tyska i eget namn och med vederbörligt erkännande. Hennes publikationer, som inkluderade hennes observationer av Aurora Borealis (1707), pamfletten Von der Conjunction der Sonne des Saturni und der Venus om solens konjunktion med Saturnus och Venus (1709) och den annalkande konjunktionen mellan Jupiter och Saturnus 1712 blev hennes bestående bidrag till astronomin. Före Kirch hade Maria Cunitz varit den enda kvinnliga astronomen i det heliga romerska riket som hade publicerat under eget namn. Familjevännen och vice ordförande i Berlins vetenskapsakademi, Alphonse des Vignoles, sade i Kirch’s lovprisning: ”Om man beaktar Frau Kirch och Frau Cunitz rykte, måste man erkänna att det inte finns någon vetenskapsgren … där kvinnor inte är kapabla att prestera, och att Tyskland i synnerhet inom astronomin tar priset framför alla andra stater i Europa.”
I 1709 presenterade Gottfried von Leibniz, ordförande för Berlins vetenskapsakademi, henne för det preussiska hovet, där Kirch förklarade sina observationer av solfläckar. Han sade följande om henne:
”Det finns en mycket lärd kvinna som skulle kunna passera som en sällsynthet. Hennes prestation ligger inte i litteratur eller retorik utan i astronomins mest djupgående läror…. Jag tror inte att denna kvinna lätt finner sin like i den vetenskap där hon utmärker sig…. Hon förespråkar det kopernikanska systemet (idén att solen står stilla) i likhet med alla lärda astronomer i vår tid. Och det är ett nöje att höra henne försvara detta system med hjälp av den Heliga Skrift som hon också är mycket kunnig i. Hon observerar tillsammans med de bästa observatörerna och vet hur man på ett fantastiskt sätt hanterar kvadranten och teleskopet.”
När hennes man dog 1710 försökte Kirch överta hans plats som astronom och kalendermakare vid Kungliga vetenskapsakademin. Trots att hennes petition stöddes av Leibniz, akademiens president, avslog akademiens verkställande råd hennes krav på en formell position med motiveringen att ”det vi medger henne skulle kunna tjäna som exempel i framtiden”, det vill säga att de inte ville skapa ett prejudikat genom att utnämna en kvinna. I sin ansökan redogjorde Kirch för sina kvalifikationer för tjänsten. Hon formulerade sin ansökan i tidstypiska termer och hävdade att hon var välkvalificerad eftersom hennes make hade instruerat henne i astronomiska beräkningar och observationer. Hon betonade att hon hade ägnat sig åt astronomiskt arbete sedan hon gifte sig och att hon hade arbetat vid akademin sedan hennes make utsågs tio år tidigare. I sin ansökan sade Kirch att ”under en tid, medan min kära avlidne make var svag och sjuk, utarbetade jag kalendern utifrån hans beräkningar och publicerade den i hans namn”. För Kirch skulle en utnämning till akademin inte bara ha varit en hedersbetygelse, utan var avgörande för att säkra en inkomst för henne och hennes barn. I sin ansökan sade hon att hennes make inte hade lämnat henne några medel för att försörja henne. I den gamla gilletraditionen för hantverkare skulle det ha varit möjligt för Kirch att ta över sin mans position efter hans död, men de nya vetenskapliga institutionerna tenderade att inte följa den traditionen.
Men även om Kirch hade utfört ett viktigt arbete vid akademin hade hon inte någon universitetsexamen, vilket vid den här tiden nästan alla medlemmar av akademin hade. Ännu mer tillspetsat var att hennes kön arbetade emot hennes utnämning. Vetenskapsakademiens sekreterare i Berlin, Johann Theodor Jablonski, varnade Leibniz för ”att hon skulle hållas kvar i en officiell egenskap för att arbeta med kalendern eller fortsätta med observationer kommer helt enkelt inte att duga”. Redan under hennes mans livstid belastades akademin med förlöjligande för att dess kalender utarbetades av en kvinna. Om hon nu skulle fortsätta i en sådan egenskap skulle munnen gapas ännu bredare”. Leibniz var den enda medlem av akademirådet som stödde hennes utnämning och försökte säkra ekonomiskt stöd till henne.
Kirch ansåg att hennes framställningar avslogs på grund av hennes kön. Detta stöds i viss mån av det faktum att Johann Heinrich Hoffmann, som hade liten erfarenhet, utnämndes till hennes mans plats i stället för henne. Hoffmann hamnade snart på efterkälken i sitt arbete och misslyckades med att göra nödvändiga observationer. Det föreslogs till och med att Kirch skulle bli hans assistent. Kirch skrev ”Nu går jag genom en svår öken, och eftersom… vattnet är knappt… smaken är bitter”. I en för tiden exceptionell prestation blev hon dock antagen av Berlins vetenskapsakademi.
1711 publicerade hon Die Vorbereitung zug grossen Opposition, en uppmärksammad pamflett där hon förutspådde en ny komet, följt av en pamflett om Jupiter och Saturnus. År 1712 accepterade Kirch beskydd av Bernhard Friedrich von Krosigk, som var en entusiastisk amatörastronom, och började arbeta i hans observatorium. Hon och hennes make hade arbetat i Krosigks observatorium medan akademins observatorium höll på att byggas. Vid Krosigks observatorium nådde hon rang av mästerastronom.
När baron von Krosigk dog 1714 flyttade Kirch till Danzig för att assistera en professor i matematik under en kort tid innan hon återvände. År 1716 fick Kirch och hennes son, som just hade avslutat sina universitetsstudier, ett erbjudande om att arbeta som astronomer åt den ryske tsaren Peter den store, men hon föredrog att stanna kvar i Berlin där hon fortsatte att beräkna kalendrar för bland annat Nürnberg, Dresden, Breslau och Ungern.
Hon utbildade sin son Christfried Kirch och döttrarna Christine Kirch och Margaretha Kirch för att fungera som hennes assistenter i familjens astronomiska arbete, och fortsatte att framställa kalendrar och almanackor samt att göra observationer. År 1716 utsågs sonen Christfried och Johann Wilhelm Wagner till observatörer vid akademins observatorium efter Hoffmanns död. Kirch flyttade tillbaka till Berlin för att fungera som sonens assistent tillsammans med dottern Christine. Hon arbetade återigen vid akademins observatorium med att beräkna kalendrar. Manliga akademiledamöter klagade över att hon tog en alltför framträdande roll och var ”alltför synlig vid observatoriet när främlingar kom på besök”. Kirch beordrades att ”dra sig tillbaka till bakgrunden och överlåta snacket till… sin son”. Kirch vägrade att lyda och tvingades av akademin att ge upp sitt hus på observatoriets område.
Kirch fortsatte att arbeta privat. Kirch dog av feber i Berlin den 29 december 1720.