1705年，他發表《彗星天文學論說》一書，闡述了從1337年到1698年觀測到的24顆彗星的軌道。哈雷推算出哈雷彗星（哈雷彗星的命名是在哈雷去世後）的回歸周期，他還發現了天狼、南河三和大角這三顆星的自行，以及月球的長期加速現象。
被科學證實的預言——哈雷彗星的發現
哈雷彗星是第一顆經推算預言必將重新出現而得到證實的著名大彗星。當它在1682年出現後，英國天文學家哈雷注意到它的軌道與1607年和1531年出現的彗星軌道相似，認為是同一顆彗星的三次出現，並預言它將在1758年底或1759年初再度出現。
雖然哈雷死於1742年，沒能看到它的重新出現，但在1759年它果然又回來，這是天文學史上一個驚人的成就。這顆彗星因而被命名為哈雷彗星。它的公轉周期為76年，近日距離為8800萬公裏，遠日距離為53億公裏。當它在1835年和1910年兩次出現時，人們對它進行了更多的觀測。哈雷彗星於1986年再次出現，2月9日過近日點。最好的觀測時刻是1985年11月18日，因為此時它離地球1億公裏，離太陽25000萬公裏，整夜可見。
天體力學的發展
由於航海的需要，這一時期的天體力學首先致力於研究受到其他天體攝動的大行星和月球的運動，以求獲得一份精確的曆表。1799～1825年，拉普拉斯出版《天體力學》，全麵總結了十八世紀的工作，提出比較完整的大行星運動理論和月球運動理論。經過泊鬆、勒威耶、漢森等人的努力，到十九世紀下半葉，紐康建立了除木星和土星以外所有六個行星的運動理論；希爾建立了木星和土星的運動理論。
由於彗星和小行星常常有較大的傾角和偏心率，在研究它們受到的攝動時必須采用與大行星理論不同的方法。1843年，漢森創立絕對攝動法。1874年，希爾提出以中間軌道為基礎的球坐標攝動法。1896年，波林用漢森理論研究赫斯提亞群小行星，建立了群攝動的分析方法。
天體力學的奠基者——拉普拉斯
拉普拉斯（1749～1827）是法國著名的數學家和天文學家。
他把牛頓的萬有引力定律應用到整個太陽係，1773年解決了一個當時著名的難題：解釋木星軌道為什麼在不斷收縮，而同時土星軌道又在不斷膨脹。拉普拉斯用數學方法證明，行星的軌道大小隻有周期性變化。這就是著名的拉普拉斯定理，從此開始了太陽係穩定性問題的研究。1784～1785年，他求得著名的拉普拉斯方程。
他長時間內主要從事大行星運動理論和月球運動理論方麵的研究工作。在總結前人研究的基礎上取得大量的重要成果，使得這些天體的運動理論係統化。他的主要研究成果集中在1799～1825年出版的五卷十六冊巨著《天體力學》內。這部著作第一次提出了天體力學的學科名稱，是經典天體力學的代表作。此外，他在1796年出版的《宇宙體係論》中具體提出了太陽係起源的星雲說，在天文學和自然科學發展上起了重要作用。
太陽係的研究
對太陽係行星的研究
1761年，俄國羅蒙諾索夫根據金星淩日的觀測作出了金星表麵有大氣存在的正確結論。這一時期對大行星的研究主要還隻限於對它們做表麵細節的觀測。此後不斷有人描繪火星表麵圖。1877年以後，意磊利斯基帕雷利繪製的火星表麵圖較為有名。火星上有“運河”的設想便是他提出來的。