Систематизировал античные знания об астрономии и описал геоцентрическую модель мира.

Разработал гелиоцентрическую модель: Земля и другие планеты обращаются вокруг Солнца.

Выполнил исключительно точные наблюдения звёзд и планет до появления телескопов.

Сформулировал три закона движения планет и показал, что их орбиты — эллипсы.

Использовал телескоп для систематических наблюдений неба: изучал Луну, Венеру и спутники Юпитера.

Сформулировал законы движения и закон всемирного тяготения, объяснив физику планетных орбит.

Открыл планету Уран и проводил масштабные обзоры звёздного неба.

Открывала кометы и помогала создавать и уточнять каталоги небесных объектов.

Во время прохождения Венеры по диску Солнца в 1761 году сделал вывод о наличии у Венеры атмосферы; интерпретацию этого наблюдения историки астрономии обсуждают до сих пор.

Показал, что многие «туманности» являются отдельными галактиками, и связал расстояния до галактик с их красным смещением.

Проводил систематические измерения двойных звёзд и стал первым директором Пулковской обсерватории.

Развивал теорию звёздных ассоциаций и исследовал активность галактических ядер.