Muzyka Herschela doprowadziła go do zainteresowania matematyką i soczewkami. Jego zainteresowanie astronomią wzrosło po roku 1773, kiedy to poznał angielskiego astronoma królewskiego Nevila Maskelyne'a. Zaczął budować własne teleskopy zwierciadlane i spędzał do 16 godzin dziennie na szlifowaniu i polerowaniu metalowych zwierciadeł głównych.
Uranus
Kiedy odkrył Urana, Herschel nie szukał planety, lecz prowadził badania gwiazd; było to przypadkowe odkrycie.
Było to pierwsze odkrycie nowej planety od czasów starożytnych. Pierwsze pięć z nich, Merkury, Wenus, Mars, Jowisz i Saturn, są widoczne gołym okiem i znane od wczesnej historii. Uran był pierwszą planetą odkrytą przez teleskop. Właściwie Uran był już wcześniej widziany przez innych obserwatorów z teleskopami, ale był zaznaczony na mapach jako gwiazda stała. Herschel stwierdził, że porusza się on na tle gwiazd i początkowo myślał, że jest to kometa. Jego pomiary zostały wykorzystane przez francuskiego matematyka Pierre'a Laplace'a, który opracował jego orbitę i udowodnił, że jest to planeta.
Herschel nazwał nową planetę "gwiazdą gruzińską" (Georgium sidus) na cześć króla Jerzego III, co przyniosło mu przychylność; nazwa ta jednak się nie utrzymała. We Francji, gdzie w miarę możliwości należało unikać odniesień do brytyjskiego króla, planeta była znana jako "Herschel", dopóki nazwa "Uran" nie została powszechnie przyjęta. W tym samym roku Herschel otrzymał Medal Copleya i został wybrany na członka Royal Society. W 1782 r. został mianowany "Królewskim Astronomem". Otrzymał od króla hojną nagrodę, która pozwoliła mu przerwać pracę muzyka i poświęcić się całkowicie astronomii. Nagrodą była dożywotnia renta dla Herschela w wysokości 200 funtów rocznie i 50 funtów rocznie dla Caroline. Prace nad 40-stopowym teleskopem również były wspierane przez dotację od króla. str. 6
Teleskopy Herschela
W ciągu swojej kariery skonstruował ponad czterysta teleskopów. Pomagał mu w tym jego brat Alexander, który podobnie jak Caroline, cały swój czas poświęcał pracy jako asystent Herschela.
Największym i najsłynniejszym z jego teleskopów był teleskop zwierciadlany o średnicy 1,2 m i ogniskowej 12 m. Był to największy teleskop na świecie od 1789 r. aż do jego demontażu (rozebrania) 50 lat później. Był to największy na świecie teleskop od 1789 roku aż do jego demontażu (rozebrania) 50 lat później. str. 6 Zwierciadło było wykonane z twardego stopu cyny i miedzi, zwanego "speculum", który polerował ręcznie.
28 sierpnia 1789 roku, pierwszej nocy obserwacji przy użyciu tego instrumentu, odkrył nowy księżyc Saturna. Drugi księżyc pojawił się w ciągu pierwszego miesiąca obserwacji. Jednak 40-stopowy teleskop był niewygodny w użyciu i większość obserwacji prowadził za pomocą mniejszego, 18,5-calowego (47 cm) teleskopu reflektorowego o ogniskowej 20 stóp (6,1 m).
Kontynuował swoją pracę jako wytwórca teleskopów, sprzedając wiele z nich innym astronomom. Pieniądze te, wraz z królewską emeryturą, pomagały mu i dwójce jego rodzeństwa utrzymać się w pracy.
Katalog gwiazd
Herschel pracował z siostrą Caroline Herschel. Zapisywała ona jego obserwacje, gdy on ich dokonywał. W 1783 r. podarował Caroline teleskop, a ona sama zaczęła dokonywać odkryć astronomicznych, zwłaszcza komet.
Caroline odkryła osiem komet, trzy mgławice i, zgodnie z sugestią brata, zaktualizowała i poprawiła pracę Flamsteeda na temat pozycji gwiazd. Zostało to opublikowane jako British Catalogue of Stars. Za tę pracę została uhonorowana przez Królewskie Towarzystwo Astronomiczne. Caroline nadal służyła Flamsteedowi jako jego asystentka.
Gwiazdy podwójne
Herschel jako pierwszy odkrył, że niektóre widoczne z linii widzenia gwiazdy podwójne są w rzeczywistości prawdziwymi układami podwójnymi, w których obie gwiazdy krążą wokół siebie. Był to pierwszy dowód na to, że prawa grawitacji Newtona obowiązują poza Układem Słonecznym. Herschel odkrył 850 gwiazd podwójnych i stworzył pierwszy katalog gwiazd podwójnych. Jego syn John Herschel odkrył ich znacznie więcej i rozszerzył katalog.
Układ Słoneczny i Droga Mleczna
Herschel badał zmiany położenia gwiazd w stosunku do Układu Słonecznego. Zmiany zachodzą, i to dość szybko, dla niektórych pobliskich gwiazd. Ponadto, cały Układ Słoneczny porusza się, co zostało odkryte przez Herschela.
Badając ruch właściwy gwiazd, jako pierwszy zdał sobie sprawę, że Układ Słoneczny porusza się w przestrzeni. Opracował przybliżony kierunek tego ruchu. Zbadał również strukturę Drogi Mlecznej i doszedł do wniosku, że ma ona kształt dysku. To również było naprawdę znaczące odkrycie.
Odkrycie promieniowania podczerwonego
Na 11 Luty 1800, Herschel testować filtr dla the słońce więc on móc plama słoneczna. Kiedy używał czerwonego filtra, zauważył, że wytwarza się dużo ciepła.
Herschel odkrył promieniowanie podczerwone, przepuszczając światło słoneczne przez pryzmat i trzymając termometr tuż za czerwonym końcem widma widzialnego. Termometr ten miał być kontrolnym miernikiem temperatury powietrza w pomieszczeniu. Był zszokowany, gdy pokazał wyższą temperaturę niż widmo widzialne. Dalsze eksperymenty doprowadziły Herschela do wniosku, że musi istnieć niewidzialna forma światła poza widzialnym spektrum.
