赫歇尔的辛苦终于有了回报。由于他一丝不苟、精细入微的观测，加以他不断改良自己的望远镜，终于在1781年3月13日晚上发现了一颗新的行星——天王星。天王星的发现，对天文学的发展具有重大意义，因此在科学界引起很大震动。同年5月，英国皇家学会奖给他一枚开普勒勋章。第二年，国王乔治三世授予他每年200镑津贴，并给他提供观测设备和费用。由此开始，赫歇尔能够不再靠音乐谋生而全力投入天文研究工作了。这一年他44岁。
1789年，他制成一架直径为122厘米、焦距为12.2米的大型反射望远镜，这在当时是世界上最大的天文望远镜，在半个多世纪的时间内，没有任何望远镜能够与它匹敌。
有了威力巨大的望远镜，赫歇尔的天文观测就有了更加丰硕的成果。他特别注重对恒星世界的观测。经过许多年艰苦的计数恒星工作，他提出了第一个银河系模型，得出了银河系有限、银河系内恒星可数的正确结论。在观测中，赫歇尔发现了太阳的运动。他仅仅选择了七颗星便定出了太阳的运动方向，并通过计算得出太阳以每秒17.5公里的速度往武仙座方向运动的结论。这个结论与现代测定的太阳以每秒19.7公里的速度往武仙座—天琴座方向运动的事实相差无几。
1786年，赫歇尔根据自己大量的天文观测记录，发表了《一千个星云和星团表》。1789年，又发表了《又一千个星云和星团表》。1800年，威廉发现并研究了红外辐射的性质，这是人类第一次发现大自然中除可见光之外还存在着其他辐射。
编者手记：我们已无法知道，当赫歇尔仰望天空时，是否也在浩瀚的苍穹中感受到音乐一样美妙的韵律。但他的经历告诉我们，兴趣是科学发现最重要的指引。即使在科学研究成为一种职业的今天，这一道理依然适用。在回答“钱学森之问”时，除了体制机制等客观原因，或许我们更应该反躬自省，是不是已经被功利迷失了探索未知的本源？(
