Jego zaawansowane technicznie teleskopy umożliwiły mu odkrycie w 1789 roku szóstego i siódmego księżyca Saturna (Enceladus oraz Mimas) oraz obliczenie wysokości gór na Księżycu. Stworzył i wydał listę ponad 850 gwiazd podwójnych i wielokrotnych oraz opublikował trzy katalogi „mgławic” (w latach 1786, 1789 i 1802), których odkrył łącznie prawie 2500. W roku 1803 zaobserwował istnienie względnego ruchu gwiazd – składników układów podwójnych.

Najwięcej odkryć dokonał Herschel w dziedzinie astronomii gwiazd stałych. Ze swoich badań wyprowadził wiele ważnych wniosków, dotyczących budowy Wszechświata i kształtu Drogi Mlecznej.

Herschel jest także uważany za odkrywcę promieniowania podczerwonego. Badając temperaturę ciał nagrzanych przez promieniowanie słoneczne w różnych pasmach światła widzialnego rozszczepionego w pryzmacie zauważył, że najwyższe wskazania uzyskuje się dla termometrów ustawionych tuż za czerwonym krańcem widma słonecznego. To odkrycie opisał w roku 1800 w pracy Experiments on the refrangibility of the invisible rays of the Sun.

W 1816 otrzymał angielski tytuł szlachecki „Sir”.