Hij staat bekend als de ontdekker van het feit dat de zon onderdeel is van de Melkweg, een platte schijf van sterren. Ook ontdekte hij op 13 maart 1781 de planeet Uranus. In datzelfde jaar kreeg hij de Copley Medal.
Hij catalogiseerde meer dan 800 dubbelsterren en 2500 nevels. Zijn zoon John Herschel ontdekte er nog meer en publiceerde de ontdekte nevels als General Catalogue of Nebulae. In 1888 werd de catalogus door L.E. Dreyer uitgebreid tot 7840 nevels en gepubliceerd onder de naam New General Catalogue. Tegenwoordig worden vele nevels nog aangeduid onder hun NGC-nummer.
In 1785 publiceert hij zijn beroemde werk "On the Construction of the Heavens", waarin hij de eerste beschrijving van de Melkweg in drie dimensies geeft en waar onze zon volgens Herschel onderdeel van is.
In 1787 ontdekt hij de manen Titania en Oberon van de eerder eveneens door hem ontdekte planeet Uranus.
Herschel is de ontdekker 1800 van het infrarood. Hij deed dat door met een thermometer de temperatuur te meten van het spectrum van licht dat door een prisma viel. Hij stelde vast, dat de temperatuur in het rode deel van het spectrum hoger lag dan in het blauwe deel. In het deel van het spectrum dat voorbij het rood lag mat hij nog een hogere temperatuur en hij concludeerde dat in dit deel van het spectrum er licht bestond dat niet voor het menselijk oog waarneembaar is.