Hudba Herschela přivedla k zájmu o matematiku a čočky. Jeho zájem o astronomii zesílil po roce 1773 a seznámil se s anglickým královským astronomem Nevilem Maskelynem. Začal stavět vlastní zrcadlové dalekohledy a trávil až 16 hodin denně broušením a leštěním kovových primárních zrcadel.
Uran
Když Herschel objevil Uran, nehledal planetu, ale prováděl průzkum hvězd; byl to náhodný objev.
Byl to první objev nové planety od starověku. Prvních pět, Merkur, Venuše, Mars, Jupiter a Saturn, je viditelných pouhým okem a jsou známy již od rané historie. Uran byl jako první objeven dalekohledem. Ve skutečnosti byl Uran již dříve spatřen jinými pozorovateli s dalekohledy, ale na mapách byl vyznačen jako stálice. Herschel zjistil, že se pohybuje na pozadí hvězd, a zprvu si myslel, že jde o kometu. Jeho měření využil francouzský matematik Pierre Laplace, který určil jeho dráhu a dokázal, že se jedná o planetu.
Herschel nazval novou planetu "Georgiova hvězda" (Georgium sidus) podle krále Jiřího III., což mu přineslo přízeň; jméno se však neujalo. Ve Francii, kde se chtěli odkazům na britského krále pokud možno vyhnout, byla planeta známá jako "Herschel", dokud se všeobecně neujal název "Uran". V témže roce byla Herschelovi udělena Copleyho medaile a byl zvolen členem Královské společnosti. V roce 1782 byl jmenován "královským astronomem". Od krále dostal štědrou odměnu, která mu umožnila přestat pracovat jako hudebník a věnovat se plně astronomii. Toto ocenění představovalo doživotní penzi pro Herschela ve výši 200 liber ročně a 50 liber ročně pro Caroline. Práce na čtyřicetistopém dalekohledu byly rovněž podpořeny grantem od krále. p6
Herschelovy dalekohledy
Během své kariéry sestrojil více než čtyři sta dalekohledů. Pomáhal mu v tom jeho bratr Alexander, který stejně jako Caroline trávil veškerý čas jako Herschelův asistent.
Největší a nejslavnější z jeho dalekohledů byl zrcadlový dalekohled s hlavním zrcadlem o průměru 48 palců (1,2 m) a ohniskovou vzdáleností 40 stop (12 m). Tento dalekohled byl největším dalekohledem na světě od roku 1789 až do jeho demontáže (rozebrání) o 50 let později.p6 Zrcadlo bylo vyrobeno z tvrdé kovové slitiny cínu a mědi, zvané "speculum", kterou ručně leštil.
Dne 28. srpna 1789, kdy poprvé pozoroval pomocí tohoto přístroje, objevil nový Saturnův měsíc. Druhý měsíc následoval během prvního měsíce pozorování. Čtyřicetistopý dalekohled byl však nepohodlný a většinu svých pozorování prováděl s menším 18,5palcovým (47 cm) reflektorem s ohniskovou vzdáleností 20 stop (6,1 m).
Pokračoval ve své práci výrobce dalekohledů a mnoho z nich prodal dalším astronomům. Spolu s důchodem od krále mu peníze pomáhaly podporovat jeho a jeho dva sourozence v jejich práci.
Katalog hvězd
Herschel pracoval se svou sestrou Caroline Herschel. Ta zaznamenávala jeho pozorování, která prováděl. V roce 1783 daroval Caroline dalekohled a ona začala sama činit astronomické objevy, zejména komety.
Caroline objevila osm komet, tři mlhoviny a na bratrův návrh aktualizovala a opravila Flamsteedovu práci o poloze hvězd. Ta byla publikována pod názvem British Catalogue of Stars. Za tuto práci byla vyznamenána Královskou astronomickou společností. Caroline také nadále působila jako jeho asistentka.
Dvojhvězdy
Herschel jako první zjistil, že některé zdánlivé dvojhvězdy na přímou viditelnost jsou ve skutečnosti skutečné dvojhvězdné systémy, v nichž obě hvězdy obíhají kolem sebe. To byl první důkaz, že Newtonovy gravitační zákony platí i mimo sluneční soustavu. Herschel objevil 850 dvojhvězd a sestavil první katalog dvojhvězd. Jeho syn John Herschel objevil mnoho dalších a katalog rozšířil.
Sluneční soustava a Mléčná dráha
Herschel studoval změny polohy hvězd vzhledem ke Sluneční soustavě. Ke změnám skutečně dochází, a to poměrně rychle u některých blízkých hvězd. Pohybuje se také celá Sluneční soustava, což zjistil Herschel.
Na základě studia vlastního pohybu hvězd si jako první uvědomil, že sluneční soustava se pohybuje vesmírem. Určil přibližný směr tohoto pohybu. Studoval také strukturu Mléčné dráhy a dospěl k závěru, že má tvar disku. I to byl skutečně významný objev.
Objev infračerveného záření
11. února 1800 Herschel zkoušel filtry pro Slunce, aby mohl pozorovat sluneční skvrny. Při použití červeného filtru zjistil, že vzniká velké množství tepla.
Herschel objevil infračervené záření tak, že sluneční světlo propustil přes hranol a teploměr držel těsně za červeným koncem viditelného spektra. Tento teploměr měl sloužit jako kontrolní přístroj k měření teploty okolního vzduchu v místnosti. Byl šokován, když ukázal vyšší teplotu než ve viditelném spektru. Další pokusy vedly Herschela k závěru, že za viditelným spektrem musí existovat neviditelná forma světla.
