Por volta de 1766 começou a estudar seriamente astronomia e matemática, e acabou adquirindo um telescópio, e com sua irmã Caroline construiu telescópios para observar o céu noturno. Começou a observar os planetas e as estrelas em maio de 1773 e, em 1 de março de 1774, começou um registo, anotando as suas observações sobre os anéis de Saturno e a Nebulosa de Orion.
Urano
Em 1781, mais precisamente no dia 13 de março, durante a sua procura por estrelas duplas, Herschel percebeu a existência de um corpo estelar, que inicialmente tomou por um cometa ou uma estrela. Após maiores observações chegou à conclusão de que devia se tratar de um planeta, com órbita mais distante que a de Saturno. No mesmo ano, Herschel foi premiado com a Medalha Copley e eleito membro da Sociedade Real. Em 1782 foi nomeado astrónomo da corte. Em 1787 descobriu dois satélites de Urano.
A primeira das mais importantes descobertas de Herschel em astronomia foi o movimento intrínseco do Sol através do espaço, em 1783. Observou cuidadosamente o movimento de sete estrelas e demonstrou que estas convergiam para um ponto fixo (que interpretou como sendo o ápex solar).
De 1782 a 1785, Herschel catalogou estrelas duplas e publicou extensos catálogos, no primeiro dos quais sugeriu que muitas delas poderiam estar em movimento orbital relativo. Em 1793 mediu novamente as posições relativas de muitas estrelas duplas, comprovando assim sua hipótese. Desenvolveu também os primeiros conhecimentos sobre a constituição de Galáxia.
Durante a sua carreira, Herschel também descobriu duas luas de Saturno, Mimas e Enceladus; assim como duas luas de Urano, Titânia e Oberon, que foram nomeadas por seu filho, John, nos anos de 1847 e 1852, muito após sua morte.
Em 2007 evidências apresentadas por Dr. Stuart Eves sugerem que Herschel talvez tenha também descobertos os anéis ao redor de Urano.
Herschel também mediu a inclinação do eixo de Marte e descobriu as calotas de gelo de marcianas, observadas pela primeira vez em 1666 por Giovanni Domenico Cassini e em 1672 por Christiaan Huygens, mudavam de tamanho de acordo com a estação do planeta.
Ao estudar o movimento das estrelas, foi o primeiro a perceber que o sistema solar está a mover-se no espaço, e determinou a direção aproximada do movimento. Também estudou a estrutura da Via Láctea e concluiu que ela é achatada, em formato de disco e com o Sol em seu centro.
Também foi o primeiro a usar a palavra 'asteroide', que deriva da palavra grega aster 'estrela' + -eidos 'forma, formato', em 1802, para descrever a aparência semelhante a das estrelas das pequenas luas dos planetas gasosos e dos planetas menores. No entanto, só na década de 1850 é que a palavra passou a ser usada para descrever certos planetas pequenos.
Como parte de suas tentativas de determinar se havia uma conexão entre a atividade solar e o clima terrestre, Herschel fez anotações a respeito do preço do trigo. Teorizou que preço do trigo estaria ligado a colheita e o clima ao longo do ano. Sua tentativa não foi bem sucedida devido a falta de observações solares anteriores para comparação, mas técnicas semelhantes foram posteriormente utilizadas com sucesso.
Apesar de suas inúmeras importantes descobertas científicas, Herschel não era contra especulações. Em particular, acreditava que todos os planetas eram habitados, inclusive o Sol: acreditava que o sol possuía uma superfície sólida e fresca protegida de sua atmosfera quente por uma camada opaca de nuvens, e que uma espécie de seres adaptados ao seu estranho ambiente vivia lá e possuíam cabeças enormes, porque de acordo com seus cálculos uma cabeça de tamanho normal explodiria sob as mesmas circunstâncias. A crença original de que formas habitavam o Sol surgiu da observação de explosões solares na superfície do Sol.
Na biologia, Herschel usou um microscópio para estabelecer que os corais não eram plantas, como muito acreditavam na época, pois não possuía a parede celular característica das plantas.
Em 1800, Herschel fez outra descoberta importante. Havia notado que filtros de diferentes cores deixavam passar quantidade diferentes de calor nas suas observações da luz solar, e desejava calcular essa quantidade de calor. Herschel pensava que as cores deveriam ter diferentes temperaturas.
Na sua experiência direcionou luz solar, através de um pequeno orifício num pedaço de papelão, deixou passar uma cor incidente da refração de um prisma de vidro e então mediu a temperatura de cada uma das cores. Herschel usou três termómetros com bulbos pretos (para melhor absorver o calor) e, para cada cor do espectro, posicionou um bulbo em uma cor visível enquanto os outros dois foram posicionados fora do espectro para controle. Conforme media a temperatura individual das cores do violeta ao vermelho, percebeu que todas as cores tinham temperaturas mais altas que a dos termómetros de controle, e que a temperatura aumentava na direção do sentido vermelho do espectro.
Decidiu então medir a temperatura da região logo após a cor vermelha, onde aparentemente não havia luz solar, e descobriu que a temperatura nessa região do espectro era mais elevada que nos lugares onde havia luz incidente. Concluiu que naquela região devia haver alguma radiação que não era visível, e a nomeou de "raios caloríficos". Após mais experiências descobriu que essa radiação sofria os efeitos de reflexão, refração, absorção e transmissão de forma semelhante à das radiações do espectro visível. Essa radiação foi depois renomeada de radiação infravermelha. Essa experiência foi importante para demonstrar que existem tipos de radiação que não são visíveis aos olhos humanos.
A sua irmã, Caroline Lucretia Herschel, colaborou estreitamente em seu trabalho, descobrindo também cometas e organizando um catálogo de nebulosas. A tradição astronómica da família ainda continuaria com seu filho (John Herschel) e dois netos. Em 1813 foi eleito membro estrangeiro na Academia Real de Ciências Suíça. Ajudou na fundação da Sociedade Astronómica de Londres em 1820, na qual em 1831 recebeu uma carta real e se tornou a Academia Real de Astronomia.
Em 25 de agosto de 1822, Herschel faleceu em sua casa. O seu filho John Herschel também se tornou um astrónomo famoso.
A sua casa em Bath, onde fez inúmeros telescópios e observou Úrano pela primeira vez, abriga atualmente o Museu de Astronomia Herschel.
No seu epitáfio está Coelorum perrupit claustra (Rompendo as barreiras celestes).
As obras musicais de Herschel incluem: 18 sinfonias para pequena orquestra, 6 sinfonias para grande orquestra, 12 concertos para oboé, violino e viola, 2 concertos para órgão, 6 sonatas para violino, violoncelo e cravo, 12 solos para violino e baixo contínuo, 24 capriccios e 1 sonata para violino solo e 1 andante para duas trompas de basset, dois oboés, duas trompas e dois fagotes.
