Od 1948 pracował dla United States Naval Observatory w Waszyngtonie, pełniąc funkcję dyrektora Wydziału Astronomii i Astrofizyki. W 1952 Hall odbył swą pierwszą podróż do Flagstaff w Arizonie, mając na celu zbadanie miejsca na 40-calowy teleskop Naval Observatory, którego nie można było używać w Waszyngtonie, ze względu na zbyt bliskie położenie od miasta. Teleskop ten przeniesiono w 1955 do Flagstaff, dokąd Hall dojeżdżał na własne badania. Podczas tych wizyt nawiązała się przyjacielska relacja między nim a pracownikami Lowell Observatory.
Od września 1958 był dyrektorem obserwatorium, które znacznie rozwinął. Udało mu się wykorzystać wystrzelenie sputnika (październik 1957) do „kosmicznego wyścigu” i zdobywać fundusze wspierające Lowella. W 1966 pozyskał dla obserwatorium nowy, 42-calowy teleskop (po 2 latach od uszkodzenia starego 42-calowego lustra). Hall odbudował też personel obserwatorium, co wpłynęło na jego międzynarodową reputację. W 1977 przeszedł na emeryturę, zostawiając Lowella w znacznie lepszym stanie, niż go zastał. Osiadł w Oak Creek, gdzie zmarł.