Professori Winthrop oli yksi Amerikan merkittävimmistä tieteilijöistä 1700-luvulla, ja hänen vaikutuksensa sen varhaiseen edistymiseen Uudessa-Englannissa oli erityisen merkittävä. Sekä Benjamin Franklin että Benjamin Thompson (Count Rumford) velkaavat todennäköisesti suuren osan varhaisesta kiinnostuksestaan tieteelliseen tutkimukseen hänen vaikutukselleen. Hänellä oli myös ratkaiseva vaikutus John Adamsin varhaiseen filosofiseen koulutukseen viimeksi mainitun aikana Harvardissa. Hän oli säännöllisesti kirjeenvaihdossa Royal Societyn kanssa Lontoossa. Hän oli yksi ensimmäisistä amerikkalaisista intellektuelleista, joita otettiin vakavasti Euroopassa. Hänet valittiin uudistetun Amerikan Filosofinen Seuran jäseneksi vuonna 1768. Hän oli tunnettu siitä, että hän yritti selittää vuoden 1755 suuria Lissabonin maanjäristyksiä.
Hänen matemaattisten laskelmiensa soveltaminen maanjäristyksen jälkeiseen maanjäristykseen muodosti perustan väitteelle, joka esitettiin hänen nimissään seismologian tieteen perustajana. Lisäksi hän tarkkaili Merkuriuksen kauttakulkua vuosina 1740 ja 1761 ja matkusti Newfoundlandiin tarkkailemaan Venuksen kauttakulkua. Hän matkusti Massachusettsin maakunnan tarjoamassa laivassa - luultavasti ensimmäisessä tieteellisessä tutkimusretkessä, - jonka amerikkalainen osavaltio oli koskaan lähettänyt.