Наиболее известные из достижений Галлея – создание метода расчета кометных орбит и открытие периодичности некоторых комет. Проведя весьма трудоемкие расчеты, он пришел к заключению, что яркие кометы 1531, 1607 и 1682 – это один и тот же объект с периодом обращения вокруг Солнца примерно 75 лет и что комета должна вновь появиться на небе в 1758. 25 декабря 1785 немецкий астроном-любитель И.Палигч действительно наблюдал эту комету, которая с тех пор носит имя Галлея.

Среди других открытий Галлея – разработка метода определения расстояния от Земли до Солнца по результатам наблюдений за прохождением внутренних планет по диску Солнца. В 1677 Галлей наблюдал прохождение Меркурия, разработал методику наблюдений для прохождений Венеры в 1761 и 1769. В 1718, сравнив свои данные о положении звезд с их координатами, указанными в каталоге Птолемея, отнаружил собственное движение ряда звезд – Арктура, Проциона и Сириуса. В 1722 начал программу позиционных наблюдений Луны, результаты которой использовал для точного определения ее орбиты.

Галлей первым начал проводить исследования по геофизике. В 1686 вышла его статья о пассатах и муссонах с разъяснением причин их возникновения. Галлей занимался проблемой земного магнетизма, построил модель магнитного поля Земли, составил первую карту магнитных склонений.