Работы Холла относятся к наблюдательной астрономии. В 1876 Холл определил период вращения Сатурна, следя за открытым им белым пятном на поверхности планеты. Во время противостояния Марса в 1877 обнаружил спутники Марса, названные впоследствии Деймосом и Фобосом. Наблюдал двойные звезды, в 1892 показал, что два компонента звезды 61 Лебедя составляют физическую пару. Занимался разработкой теории движения планет и их спутников. Руководил несколькими экспедициями для наблюдения полных солнечных затмений. Умер Холл в Аннаполисе (шт. Мэриленд) 22 ноября 1907.