13 марта 1781 года в жизни Гершеля-астронома, стало знаменательной датой. В результате бесконечных поисков в глубинах ночного неба он «натолкнулся» на новое светило, которое принял за комету. Позднее выяснилось, что это была седьмая планета солнечной системы, получившая название Уран. Она отстоит от Солнца почти на 3 миллиарда километров и превышает объем Земли более чем в 60 раз.
Своим открытием Гершель вдвое раздвинул рамки солнечной системы и безмерно увеличил свой авторитет астронома. Весь мир заговорил о его открытии. Скоро последовали и почести. Гершеля награждают золотой медалью Лондонского королевского общества и избирают его членом. Оксфордский университет присуждает ему степень доктора, а король утверждает его в должности придворного астронома с пожизненной пенсией в 300 гиней. Слава первооткрывателя седьмой планеты дошла и до России. В 1789 году Гершель избирается почетным членом Петербургской академии наук.
Он мог бы теперь почивать на лаврах. Но не таков Гершель. Ученый с удвоенной энергией продолжает начатое дело. Жизнь коротка, а сделать надо очень много. Гершель торопится. Прежде всего он расстается с профессией музыканта, чтобы всего себя отдать исследованию великих тайн неба. А музыка? Музыка осталась увлечением, каким раньше была астрономия.
Чтобы открыть новое, надо еще и еще раз подумать об усовершенствовании телескопа. Необходимо с помощью какого-то приспособления уменьшить потерю света в рефлекторе и увеличить яркость изображения.
С этой целью Гершель изготавливает десятки рефлекторов. Однажды его осенила мысль наклонить слегка главное зеркало. Эффект получился замечательный. Во-первых, конструкция рефлектора сразу упростилась: стало возможным отбросить малое плоское зеркало. Во-вторых, осуществилось ожидаемое увеличение светосилы инструмента.
Заметим, что усовершенствование Гершеля не было новым. Еще в 1762 году рефлектор с таким устройством был изобретен и построен М. В. Ломоносовым. Но этого Гершель не знал. Поэтому, как это часто бывало в прошлом, из-за отсутствия информации ученому пришлось заново открывать то, что было открыто до него другими.
При помощи 6-метрового рефлектора своей конструкции Гершель в 1787 году открывает два спутника Урана — Оберон и Титаний. Затем он открывает два спутника Сатурна и устанавливает периодичность в изменении размеров полярных шапок на Марсе. Но все это «мелочи» по сравнению с теми грандиозными задачами, которые ставил перед собой беспокойный ученый. Его интересовала проблема строения Вселенной. Применяя статистические теоретико-вероятностные методы (звездную статистику), Гершель в 1783 году обнаружил давно предполагаемое движение нашей солнечной системы с довольно точным указанием направления этого движения (к созвездию Геркулеса). С помощью звездной статистики ученый пытался вывести заключение о форме и размерах нашей звездной системы и установить то, что находится за ее пределами.
Пытливый глаз астронома, вооруженный телескопами-гигантами, привел к открытию большого числа туманностей и звездных скоплений, а также свыше 800 двойных и кратных систем звезд. В 1822 году Гершель составил каталог (по счету третий) 145 двойных звезд (пары звезд, близких одна к другой в пространстве и обращающихся вокруг их общего центра).
Еще «отец греческой астрономии» Гиппарх связывал блеск звезды с ее величиной и на основе этого давал классификацию звезд по величине. Ясно, что эта классификация была чисто умозрительной и весьма субъективной, так как блеск звезды оценивался невооруженным глазом. Научную основу классификации звезд по их блеску впервые дал Гершель, который за 6 лет составил шесть каталогов блеска звезд. В общей сложности он измерил видимый блеск свыше 3000 звезд, причем установил, что некоторые звезды имеют переменный блеск.
Гершель один из первых вел наблюдение солнечного и звездного спектров. Помещая чувствительный термометр в разных частях видимого солнечного спектра и за его пределами, он открыл инфракрасные лучи (1800).
В науке Гершель придерживался материалистической концепции. Он считал, что мир материален и существует вне нашего сознания. Основой основ нашего мироздания является движение. Развитие в природе идет по спирали от более простого к более сложному. Гершель утверждал, что звезды «рождаются» в результате сгущения туманной материи, которая в разреженном состоянии в большом количестве находится в мировом пространстве.