В 1866 Карл Цейс предложил сотрудничество молодому физику. Цейс хотел поставить производство микроскопов и других оптических приборов на поток и считал необходимым создать научные основы приборостроения. Аббе принял приглашение. Разработанная им теория формирования изображений несамосветящихся объектов включала важнейший принцип – «условие синусов», налагающее ограничение на соотношение фокусных расстояний объектива и окуляра и длину трубки микроскопа. Аббе ввел понятие «числовой апертуры», связывающей истинную апертуру объектива с показателем преломления стекла и длиной волны излучения. Оба этих принципа оказались справедливыми и применительно к электронным микроскопам, созданным полвека спустя. Аббе сконструировал целый ряд оптических приборов: в 1867 – фокометр (прибор для измерения фокусных расстояний), в 1869 – апертометр (прибор для измерения апертуры) и рефрактометр (измеритель показателя преломления), ныне носящий его имя. Активно занимался также разработкой оптических стекол. В 1874 создал ряд новых марок оптического стекла, в 1879 познакомился со специалистом по стеклам О.Шоттом и в 1884 совместно с Шоттом и Цейсом основал Стеклохимическую лабораторию.

Успехи Аббе в разработке теории практически пригодных оптических приборов способствовали тому, что в 1876 Цейс сделал его своим полноправным партнером. Кроме различных микроскопов, предприятие выпустило ряд других приборов: устройства для подсветки к микроскопу (в Англии такое устройство называется просто «Аббе»), рефрактометры Аббе и др. К 1886 относится триумф фирмы – создание апохроматических линз, носящих название конденсоров Аббе.

После смерти Цейса в 1888 и ухода из фирмы его сына в 1891 Аббе стал фактически хозяином предприятия. Здесь он вновь проявил свои склонности экспериментатора, основав Товарищество «Карл Цейс». Предприятие успешно развивалось, а его устав, разработанный Аббе, впоследствии лег в основу социального законодательства Пруссии. Аббе завещал «Товариществу» свои сбережения, а часть прибыли «Товарищества» регулярно передавались университету Йены.

Аббе был удостоен множества титулов и почетных степеней. В 1873 он был избран членом Академии естествоиспытателей в Галле, в 1878 – почетным членом Королевского общества микроскопистов в Лондоне, в 1839 – почетным профессором Йенского университета, в 1882 – почетным членом Бельгийского общества микроскопистов в Брюсселе. В 1878–1891 Аббе был директором обсерватории в Йене. В 1883 университет Галле – Виттенберга присвоил ему степень почетного доктора медицины, а в 1884 король Пруссии наградил орденом Белого Сокола 1-й степени. С 1887 Аббе состоял членом Имперского физико-химического ведомства. К концу жизни Аббе получил еще целый ряд титулов. В 1896 был избран членом-корреспондентом Академии наук в Берлине по отделению физики и математики; в 1899 – членом Королевского фотографического общества Великобритании; в 1900 – иностранным членом-корреспондентом Австрийской академии наук в Вене; в 1901 – почетным членом Саксонской академии наук и почетным членом Королевского научного общества в Гёттингене; членом-корреспондентом Комитета оптических стандартов в Бирмингеме; в 1903 – почетным членом Общества природоведения в Дрездене и почетным членом Королевского ордена науки и искусства в Баварии.

Умер Аббе в Йене 14 января 1905.