1782年，英王喬治三世聘他為宮廷天文學家。同年他從巴斯遷居達奇特，並完全致力於天文學的研究。1786年定居於斯勞。1787年製成一架焦距6米的反射望遠鏡。1789年又製成一架焦距12米、口徑122厘米的大型望遠鏡（他一生製作望遠鏡達數百架之多）。他用這些望遠鏡獲得許多重要發現。
1800年，赫歇耳用靈敏溫度計研究光譜裏各種色光的熱作用時，把溫度計移到光譜的紅光區域外側，它的溫度上升得更高，說明那裏有看不見的射線照到溫度計上，這種射線後來就叫做紅外線。
由於赫歇耳發現了太陽光中的紅外輻射，並推測出這種輻射的性質，從而創立了天文學中的一門新學科——彩色光度學，成為人類第一個發現大自然中除可見之光外還存在著其他輻射的光。
1821年，赫歇耳成為英國皇家天文學會第一任會長。次年8月25日在斯勞逝世。
除上述之外，赫歇耳還先後作出三份“雙星表”及2500個星雲和星雲團，發現天王星的兩顆衛星和土星的兩顆衛星，發現了太陽的空間運動，提出了銀河係的形狀假說，並用統計恒星數目的方法，證實銀河係為扁平狀圓盤的假說。他企圖測量銀河係的大小，但沒有成功。雖然他曾錯誤地認為銀河係的深度是“不可測量的”，但他創立了恒星天文學的研究方法。
由於他對恒星及恒星係的研究作出了巨大的貢獻，被人們稱為“恒星天文學之父”。值得一提的是，他的妹妹C.L.赫歇耳（Caroline Lucretia Herschel，1750～1848）和兒子J.F.
赫歇耳（John Frederick William Herschel，1792～1871）也都是英國著名的天文學家。
宇宙大爆炸的發現
宇宙是有限的還是無限的？宇宙是怎樣形成的？這些都是人類探索了幾千年而且至今仍在探索的問題。
牛頓在1692～1693年給劍橋大學三一學院院長、牧師本得利（1662～1742）的四封信中談到了他的無限宇宙觀：由相互吸引的物質所組成的宇宙是無限的；否則，在此力的作用下所有的物質將會坍縮到有限的宇宙中央，聚集成一個巨大的球體。他拋棄了早年的有限宇宙觀。
然而，以牛頓萬有引力定律為基礎的無限宇宙卻遇到了兩次強有力的挑戰。除了1895年西利格提出的無限宇宙中任一點的引力勢及其導數都是不確定的，而出現“引力佯謬”之外，就是著名的“光度佯謬”了。
提出“光度佯謬”的是德國天文學家、數學家奧爾伯斯，他是著名數學家高斯的摯友。他於1826年提出的這個佯謬指出，既然宇宙是無限的，那就分布著無窮多個恒星。這樣，宇宙中任何一點將會由於這無窮多恒星的光照而呈現無窮大亮度，考慮到恒星相互遮光後，這一亮度將變為一恒定的有限值，這就是說，夜空也將有一個恒定的均勻亮度，而不是黑的。這一結論顯然與事實相悖，於是構成又叫“夜黑佯謬”或“奧爾伯斯佯謬”的悖論。他本人也提出解決這一悖論的一種方案。即星際塵埃遮住了大部分星光。但顯然這一方案不能完全解釋這一佯謬，無限宇宙在物理上麵臨不可逾越的困難。
為了解決以上兩個悖論，上述西利格和諾意曼於1896年，沙利葉在1908年分別另外提出了解決方案，但卻沒取得完全的成功。不過，前一方案中實際上引進的宇宙斥力項所代表的解決問題的方法卻對其後愛因斯坦相對論宇宙學的建立產生了很大的影響。
事實上，由廣義相對論可知，物質使時空彎曲，引力作用以光速傳播；加上宇宙有限年齡和目前處於膨脹階段，以及恒星發光壽命決不是無限均等因素，以上兩個佯謬是不難解決的。
宇宙學是從整體上研究宇宙結構和演化的一個天文學分支。如果把前述牛頓等的研究歸為“古典宇宙學”的話，則“現代宇宙學”的研究就從愛因斯坦的廣義相對論開始了。
愛因斯坦在1915年創立、1916年發表廣義相對論後，就用它來考查宇宙結構的問題。結果，他發現這個宇宙是不斷膨脹的，宇宙中的物質不斷相互遠離擴散。這時，他害怕極了，怎麼宇宙會越來越大呢？他懷疑自己相對論中一些公式的正確性。為了彌補這一膨脹宇宙模型的“缺陷”，他在前述諾意曼等人引進宇宙斥力項的啟發下，也在他的宇宙模型中引進了宇宙斥力。這種斥力隻有當物體之間的距離很大時，才變得比引力更大。若宇宙斥力與引力正好互相抵消，就得到一個穩定的平衡宇宙。