Научные работы Брадлея посвящены наблюдательной астрономии. Измеряя годичные смещения звезд, в частности звезды g Дракона, он в 1729 пришел к выводу, что полученные результаты можно объяснить орбитальным движением Земли и конечностью скорости света. Открытие аберрации света стало первым наблюдательным подтверждением теории Коперника. В 1748 Брадлей представил Лондонскому королевскому обществу результаты своих 20-летних наблюдений за годичными изменениями положения некоторых звезд, которые можно было объяснить только колебаниями земной оси – нутацией. Открытие аберрации света и нутации земной оси выдвинуло Брадлея в ряд ведущих астрономов нового времени.

В 1750–1762 под руководством Брадлея была выполнена обширная программа позиционных наблюдений 60 тыс. звезд, результаты которых были опубликованы в 1798 и 1805. В 1818 Ф.Бессель использовал эти данные при создании своего звездного каталога. Брадлей осуществил измерения диаметра Венеры, Марса, Юпитера, Сатурна, уточнил значение солнечного параллакса, вел наблюдения за кометами. В 1752 Брадлею как королевскому астроному была пожалована пенсия, а в 1761 он переехал в Челфорд (Глостершир). Умер Брадлей в Челфорде 13 июля 1762.