Cały czas rozwijał swoje zainteresowania astronomiczne, a od 1773 roku zaczął kupować i konstruować teleskopy. Zbudował teleskop o średnicy 120 cm. Rozwinął własną produkcję teleskopów, najpierw tylko na własny użytek, a później również na sprzedaż. Nauczył się sam szlifować zwierciadła do teleskopów. Zbudował w ciągu życia 400 teleskopów, w tym największy wówczas na świecie teleskop o długości 40 stóp (12 metrów), ustawiony w miejscowości Slough, niedaleko Windsoru, którego używał sam do własnych obserwacji. W 1772 roku do Anglii przybyła jego siostra Caroline, która pomagała mu w pracach astronomicznych (samodzielnie odkryła 8 komet m.in. kometę Enckego). W 1774 sporządził 5-stopowy teleskop i wszystkie noce poświęcił na obserwacje nieba.
W nocy 13 marca 1781 roku, obserwując gwiazdy w gwiazdozbiorze Bliźniąt przy użyciu swego 16,5-centymetrowego teleskopu, znalazł obiekt o kształcie dysku, poruszający się niezwykle wolno na tle gwiazd. W tym czasie przekonanie o tym, że Układ Słoneczny kończy się na Saturnie, było tak silne, że William Herschel sądził przez pewien czas, iż znalazł nową kometę. Obserwował ją dzień po dniu jako jasną plamkę, poruszającą się powoli przez sklepienie niebieskie. Doniósł o swoich odkryciach Towarzystwu Filozoficznemu w Bath.