W latach 60. wykonywał pionierskie badania zależności polaryzacji widma gwiazd, planetoid oraz Saturna i Jowisza, a także kierował badaniami fotopolarymetru obrazującego sond kosmicznych Pioneer 10 i Pioneer 11. W latach 80. XX wieku był odpowiedzialny za stworzenie programu Spacewatch, wykorzystującego teleskopy Obserwatorium Kitt Peak w poszukiwaniu planetoid potencjalnie zagrażających Ziemi. W 2007 roku Oddział Badań Planetarnych Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego nagrodził Toma Gehrelsa nagrodą Harolda Masursky'ego za badania planetarne.
Tom Gehrels odkrył 4656 planetoid (19 samodzielnie oraz 4637 pracując wspólnie z Cornelisem van Houtenem i jego żoną Ingrid van Houten-Groeneveld). W 2018 roku zajmowali 1. miejsce wśród indywidualnych odkrywców największej liczby planetoid. Gehrels odkrył także cztery komety okresowe: 78P/Gehrels, 82P/Gehrels, 90P/Gehrels i 270P/Gehrels, jednopojawieniową C/1972 F1 (Gehrels) oraz ponownie odkrył zagubioną kometę 64P/Swift-Gehrels.
W uznaniu jego zasług jedną z planetoid nazwano (1777) Gehrels.
Przypisy