Первая работа Дж.Гершеля была посвящена двойным звездам, которых он обнаружил более 3000, но главной темой его исследований стали туманности: в его каталоге их 2307. В 1834 Гершель отправился в Южную Африку на мыс Доброй Надежды, где установил телескоп-рефлектор с фокусным расстоянием 6,1 м и небольшой рефрактор. С их помощью в течение четырех лет занимался изучением южного неба, открыл 1202 двойные звезды и 1708 туманностей и звездных скоплений. Подробно исследовал Магеллановы Облака и распределение южных звезд; наблюдал за кометой Галлея при ее появлении в 1835. Вернулся в Англию в 1838. Следующие 7 лет посвятил описанию своих африканских исследований, опубликовав в 1847 Результаты астрономических наблюдений, выполненных на мысе Доброй Надежды в 1834–1838 (Results of Astronomical Observations Made During 1834–1838 at the Сape of Good Hope). Среди других его работ – Очерки астрономии (Outlines of Astronomy, 1849), а также Общий каталог туманностей (General Catalogue of Nebulae, 1864), содержащий данные о 5079 туманностях и звездных скоплениях. Дополненный позже датским астрономом Й.Дрейером и изданный под названием Новый общий каталог туманностей и звездных скоплений (New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars, 1888), он стал каноническим в среде астрономов и называется сокращенно NGS.

Занимаясь фотографией, Гершель еще в 1819 обнаружил способность гипосульфита натрия растворять соли серебра. Через 20 лет независимо от У.Толбота предложил использовать для получения фотографичесих изображений бумагу, покрытую светочувствительным материалом. Первым ввел в фотографию термины «позитив» и «негатив».

Гершель занимался также педагогической и литературной деятельностью, создал нечто вроде системы народного образования в Капской колонии на мысе Доброй Надежды. В 1842 стал почетным ректором Абердинского университета. Его Предварительные рассуждения об изучении натуральной философии (Preliminary Discourse on the Study of Natural Philosophy, 1830) были переведены на французский, немецкий и итальянский языки. В последние годы жизни Гершель написал популярные книги по физической географии и метеорологии. Как и И.Ньютон, был директором Монетного двора (1850–1855).

Умер Гершель в Коллингвуде (графство Кент) 11 мая 1871.