Основні наукові праці присвячені спостереженням комет і обчисленню кометних орбіт. Відкрив 7 нових комет, одну з яких, виявлену ним 1815 року, названо його ім'ям. Розробив (1797) спосіб визначення параболічної орбіти комети за трьома спостереженнями. 1802 року виявив на підставі обчислень К. Ф. Ґауса першу малу планету Цереру, втрачену незабаром після її відкриття 1801 року. 1802 року відкрив другу малу планету (Палладу), в 1807 — четверту (Веста). Запропонував гіпотезу про походження астероїдів внаслідок руйнування планети Фаетон, що оберталася між орбітами Марса і Юпітера. 1811 року висловив припущення про відштовхувальну силу Сонця як причину появи хвостів у комет. 1837 року встановив періодичність метеорного потоку Леонід. 1826 року сформулював фотометричний парадокс, що отримав назву парадоксу Шезо—Ольберса (Жан Філіп де Шезо — швейцарський астроном, який висловив аналогічну ідею ще 1744 року). Парадокс Шезо—Ольберса полягає в тому, що у разі нескінченості Всесвіту зірок, в будь-якому напрямку на промені зору має бути зірка. Отже, вся поверхня неба має бути сліпуче-яскравою, подібною до поверхні Сонця. Для пояснення парадоксу припустив поглинання світла в міжзоряному просторі. Фотометричний парадокс знайшов своє вирішення в теорії архічної будови Всесвіту, розробленій К. В. Шарльє.
William Herschel (1800 - 1814). Observations on the Nature of the New Celestial Body Discovered by Dr. Olbers, and of the Comet Which Was Expected to Appear Last January in Its Return from the Sun. Abstracts of the Papers Printed in the Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 1: 271—272. doi:10.1098/rspl.1800.0148.
Lynn, W. T. (1907). The Discovery of Vesta. The Observatory. 30: 103—105. Архів оригіналу за 24 серпня 2011. Процитовано 9 листопада 2010.
