Нур ад-Дин ал-Битруджи разделял мнение ученых Андалусии (в том числе своего учителя Мухаммада ибн Туфайла, а также Аверроэса), что теория эпициклов не соответствует действительности, поскольку существование эпициклов и эксцентрических деферентов противоречит физике Аристотеля, согласно которой единственным центром вращения небесных светил может быть только центр мира, совпадающий с центром Земли (так называемый «Андалусийский бунт»). Разработал модель движения планет, являющуюся разновидностью теории гомоцентрических сфер. Трактат ал-Битруджи Книга об астрономии (Китаб фи-л-хай'а) с изложением этой модели была переведена на латынь (Майкл Скотт, 1217 г., Толедо) и получила широкую известность среди европейских учёных. Однако теория ал-Битруджи находилась в полном разрыве с наблюдениями и не смогла стать основой астрономии.
Существенным новшеством теории ал-Битруджи было объяснение причины движения планет. Если большинство учёных того времени были уверены, что планеты движутся под действием духовных бестелесных двигателей («интеллигенций», или ангелов), то ал-Битруджи дал чисто механическое объяснение: высшая небесная сфера получает от Перводвигателя движущую силу (импетус) и передает её низшим сферам (к которым прикреплены планеты); по мере продвижения к Земле эта сила ослабевает.
В честь Нур ад-Дина ал-Битруджи назван лунный кратер Альпетрагий.