W 1908 zaobserwowała, że cefeidy zmieniają swoją rzeczywistą jasność i „szybkość mrugania”, czyli czas dzielący okresy maksymalnej i minimalnej jasności. Zauważyła, że najjaśniejsze cefeidy pulsują powoli, a ciemniejsze szybciej, a efekt ten jest powszechny i skorelowany. Oznaczało to, że można wyliczyć odległość od cefeid. Ówczesna nauka wciąż uważała, że Droga Mleczna jest całym Wszechświatem, a Leavitt już odkryła sposób na zajrzenie poza Drogę Mleczną. Odkryła i skatalogowała gwiazdy zmienne w Obłokach Magellana, po czym na podstawie tych obserwacji odkryła w 1912 i w 1913 szereg zależności związanych z cefeidami, w tym zależność pomiędzy okresem cefeidy a jej jasnością absolutną, co okazało się ważne dla obliczania odległości we wszechświecie. Odkryła również 4 gwiazdy nowe oraz ponad 2400 gwiazd zmiennych. Zmarła na nowotwór.