Astronomią zainteresował się po zaćmieniu Słońca 25 lipca 1748 roku. W 1761 roku dokonał obserwacji przejścia Wenus przed tarczą Słońca, co umożliwiło wyznaczenie jednostki astronomicznej. Podczas podróży na Wyspę Świętej Heleny prowadził doświadczenia z wyznaczeniem długości geograficznej z obserwacji Księżyca, a następnie wprowadził tę metodę do nawigacji opisanej w The British Mariner’s Guide (1763). Po zastąpieniu w 1765 roku Nathaniela Blissa na stanowisku astronoma królewskiego wydał pierwszy tom The Nautical Almanac (1766). W 1758 został członkiem Londyńskiego Towarzystwa Królewskiego. W roku 1772 zaproponował metodę wyznaczenia stałej grawitacji i gęstości Ziemi polegającą na pomiarze odchylenia od pionu ciężarka zwisającego z liny umieszczonego w pobliżu góry o znanych parametrach.
Jednym z osiągnięć było zmierzenie odchylenia linii pionu po dwóch stronach góry Schiehallion w Szkocji o symetrycznym kształcie, który pozwalał obliczyć jej masę. Astronom spędził na stokach tej góry okres od czerwca do października 1774, wykonując staranne pomiary astronomiczne.