La musica di Herschel lo portò ad interessarsi alla matematica e alle lenti. Il suo interesse per l'astronomia si rafforzò dopo il 1773 e fece la conoscenza dell'astronomo reale inglese Nevil Maskelyne. Iniziò a costruire i suoi telescopi a riflessione e passava fino a 16 ore al giorno a molare e lucidare gli specchi primari in metallo.
Urano
Quando scoprì Urano, Herschel non stava cercando un pianeta, ma facendo un'indagine sulle stelle; fu una scoperta accidentale.
È stata la prima scoperta di un nuovo pianeta dai tempi antichi. I primi cinque, Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno, sono visibili ad occhio nudo, e sono noti fin dalla storia. Urano è stato il primo scoperto con il telescopio. In realtà, Urano era già stato visto da altri osservatori con telescopi, ma era stato segnato sulle carte come una stella fissa. Herschel trovò che si muoveva sullo sfondo delle stelle, e all'inizio pensò che fosse una cometa. Le sue misurazioni furono utilizzate dal matematico francese Pierre Laplace, che elaborò la sua orbita e dimostrò che era un pianeta.
Herschel chiamò il nuovo pianeta la 'stella georgiana' (Georgium sidus) dal nome del re Giorgio III, il che gli procurò dei favori; il nome, tuttavia, non rimase. In Francia, dove il riferimento al re britannico doveva essere evitato se possibile, il pianeta era conosciuto come "Herschel" fino a quando il nome "Urano" fu adottato universalmente. Lo stesso anno, Herschel fu premiato con la medaglia Copley ed eletto Fellow della Royal Society. Nel 1782, fu nominato "Astronomo del Re". Ottenne un generoso premio dal re, che gli permise di smettere di lavorare come musicista, e dedicare tutto il suo tempo all'astronomia. Il premio era una pensione a vita per Herschel di 200 sterline all'anno, e 50 sterline all'anno per Caroline. Anche il lavoro sul telescopio di 40 piedi fu sostenuto da una sovvenzione del re. p6
I telescopi di Herschel
Nel corso della sua carriera, costruì più di quattrocento telescopi. Fu aiutato in questo da suo fratello Alexander che, come Caroline, trascorse tutto il suo tempo lavorando come assistente di Herschel.
Il più grande e famoso dei suoi telescopi era un telescopio a riflessione con uno specchio principale di 48 pollici di diametro (1,2 m) e una lunghezza focale di 40 piedi (12 m). Questo fu il più grande telescopio del mondo dal 1789 fino a quando fu smontato 50 anni dopo. p6 Lo specchio era fatto di una lega di metallo duro di stagno e rame, chiamato 'speculum', che egli lucidò a mano.
Il 28 agosto 1789, la sua prima notte di osservazione con questo strumento, scoprì una nuova luna di Saturno. Una seconda luna seguì entro il primo mese di osservazione. Tuttavia, il telescopio da 40 piedi era scomodo da usare, e la maggior parte delle sue osservazioni furono fatte con un più piccolo riflettore da 18,5 pollici (47 cm) e 20 piedi di lunghezza focale (6,1 m).
Continuò il suo lavoro di costruttore di telescopi, vendendone molti ad altri astronomi. Insieme alla sua pensione dal re, il denaro aiutava a sostenere lui e i suoi due fratelli nel loro lavoro.
Catalogo delle stelle
Herschel lavorava con sua sorella Caroline Herschel. Lei registrava le sue osservazioni mentre lui le faceva. Nel 1783 regalò a Caroline un telescopio, e lei iniziò a fare scoperte astronomiche per conto suo, in particolare sulle comete.
Caroline scoprì otto comete, tre nebulose e, su suggerimento del fratello, aggiornò e corresse il lavoro di Flamsteed sulla posizione delle stelle. Questo fu pubblicato come il Catalogo Britannico delle Stelle. Fu premiata dalla Royal Astronomical Society per questo lavoro. Caroline continuò anche a servire come sua assistente.
Stelle binarie
Herschel fu il primo a scoprire che alcune apparenti stelle doppie in linea di vista erano in realtà veri sistemi stellari binari in cui le due stelle ruotavano l'una intorno all'altra. Questa fu la prima prova che le leggi di gravitazione di Newton si applicano al di fuori del sistema solare. Herschel scoprì 850 stelle binarie ed elaborò il primo catalogo di stelle binarie. Suo figlio John Herschel ne scoprì molte altre ed estese il catalogo.
Sistema solare e Via Lattea
Herschel ha studiato i cambiamenti di posizione delle stelle rispetto al sistema solare. I cambiamenti avvengono, e abbastanza rapidamente per alcune stelle vicine. Inoltre, l'intero sistema solare si muove, e questo fu scoperto da Herschel.
Studiando il moto proprio delle stelle, fu il primo a capire che il sistema solare si muove nello spazio. Ha calcolato la direzione approssimativa di questo movimento. Studiò anche la struttura della Via Lattea e concluse che aveva la forma di un disco. Anche questa fu una scoperta davvero significativa.
Scoperta della radiazione infrarossa
L'11 febbraio 1800, Herschel stava testando dei filtri per il sole in modo da poter osservare le macchie solari. Quando usò un filtro rosso scoprì che c'era molto calore prodotto.
Herschel scoprì la radiazione infrarossa facendo passare la luce del sole attraverso un prisma e tenendo un termometro appena oltre l'estremità rossa dello spettro visibile. Questo termometro doveva essere un controllo per misurare la temperatura dell'aria nella stanza. Rimase scioccato quando mostrò una temperatura superiore a quella dello spettro visibile. Ulteriori esperimenti portarono alla conclusione di Herschel che doveva esistere una forma invisibile di luce oltre lo spettro visibile.
