Anfangs verdiente er seinen Lebensunterhalt mit kleinen Konzerten und dem Kopieren von Noten. Bald fand er jedoch eine Anstellung bei einer kleinen Militärkapelle. Er begann selbst zu komponieren und sein Ruf als guter Musiker verbreitete sich rasch.

1766 trat er in Bath die Stelle des Organisten der berühmten Octagon Chapel an. Nach einer heftigen Auseinandersetzung mit Thomas Linley, dem damaligen Musikdirektor von Bath, wandte er sich in seiner Freizeit mehr und mehr der Astronomie zu.

Mit Hilfe seiner Geschwister Karoline und Alexander begann er mit dem Eigenbau von Teleskopen. Herschels Teleskope zählten zu den besten seiner Zeit. So besaß auch der König von England, der König von Spanien und die Zarin von Rußland ein von ihm gebautes Teleskop.

Im Garten seines Hauses in der New King Street No. 19 entdeckte er am 13. März 1781 den Planeten Uranus. Der Name Uranus stammt jedoch nicht von Herschel selber, sondern von dem deutschen Astronomen Bode. Friedrich Wilhelm nannte "seinen" Planeten Georgium Sidus (den Georgsstern), zu Ehren des Königs Georg III von England.

Seine Entdeckung machte den Liebhaberastronomen schnell berühmt. Noch 1781 wurde er zum Mitglied der Royal Society gewählt und erhielt die goldene Copley Medaille für herausragende wissenschaftliche Leistungen. König Georg ernannte ihn im Jahr darauf zu seinem Hofastronomen. So konnte Herschel seinen Beruf aufgeben und sich ganz der Astronomie widmen.

Herschels neue Tätigkeit erforderte seine regelmäßige Anwesenheit in Windsor. Gemeinsam mit seiner Schwester zog er aus diesem Grund nach Datchet. Dort begann Friedrich Wilhelm 1787 mit dem Bau seines berühmten 40 Fuß Teleskopes. Leider war dieses Instrument zu unhandlich für den täglichen Gebrauch, so daß es bald hauptsächlich als Sehenswürdigkeit für Besucher diente. Ebenfalls 1787 entdeckte er die beiden Uranusmonde Titania und Oberon. Zwei Jahre später entdeckte er zwei weitere Monde: die Saturnmonde Encleadus und Mimas.

Nach seiner Heirat 1788 zog Herschel mit seiner Frau Mary nach Slough. Hier erstellte Herschel weitere Nebelkataloge (Veröffentlichung: 1. Katalog 1786, 2.Katalog 1789, 3.Katalog 1802). Am 7. März 1792 kam sein Sohn John zur Welt. John trat später in die Fußstapfen seines Vaters und führte dessen Himmelsdurchmusterung am Südsternhimmel weiter.

1801 publizierte Friedrich Wilhelm seine Entdeckung der Infrarotstrahlung.

1821 wurde Herschel der Präsident der Royal Astronomical Society.