Jednak momentem przełomowym w jego życiu było odkrycie przez Williama Herschela Urana w 1781 roku. Schröter postanowił porzucić swoją dotychczasową pracę i z powodzeniem ubiegał się o stanowisko magistrata w wiosce Lilienthal w pobliżu Bremy. Pracę tam rozpoczął w maju 1782 roku. Obowiązki urzędnicze zajmowały mu niewiele czasu, toteż mógł się teraz poświęcić astronomii.
Szybko wybudował pierwsze małe obserwatorium. Za sporą sumę pieniędzy zakupił od Williama dwa teleskopy zwierciadlane o średnicy zwierciadła 4,75 i 6,5 cala. Rosnące wymagania skłoniły go do wybudowania dużego, dwukondygnacyjnego obserwatorium obok budynku swojego biura. W 1788 roku wybudował kolejne obserwatorium, które nazwał Urania-Tempel (świątynia Uranii), mieszczące się w drewnianym ośmiokątnym budynku w odległości około 70 kroków od głównego obserwatorium. Prowadził obserwacje Słońca (w 1787 roku jako pierwszy dostrzegł i opisał struktury na Słońcu nazwane później granulami), planet, stworzył szczegółowe mapy Księżyca. We współpracy z konstruktorem teleskopów Johannem Gottliebem Friedrichem Schraderem w 1793 roku zbudował duży teleskop zwierciadlany o ogniskowej 27 stóp i średnicy zwierciadła 20 cali. Był to wówczas największy teleskop w Europie kontynentalnej (większy był tylko 40-stopowy teleskop Herschela w Slooh w Anglii).