Pierwszy wykorzystał heliometr – przyrząd do pomiaru pozornej średnicy Słońca – do pomiaru paralaksy gwiazd. Ustalił dokładne pozycje tysięcy poszczególnych gwiazd, co umożliwiło mu obserwację niezmiernie małych, lecz znaczących ruchów tych obiektów względem siebie. Udowodnił, że 61 Cygni, po wprowadzeniu odpowiedniej korekty, wykonuje w ciągu roku pozorny ruch po elipsie. Podobne obserwacje wykonali równocześnie i niezależnie Thomas James Henderson i Friedrich Georg Wilhelm Struve. Ten okresowy ruch, zw. paralaksą, można interpretować jako wynik ruchu Ziemi wokół Słońca.
Astronom wykazał, że 2 jasne gwiazdy – Syriusz i Procjon – wykonują minimalne ruchy. Zjawisko to można wytłumaczyć, zakładając, iż w sąsiedztwie znajdują się niewidoczne obiekty zakłócające ich ruch. Istnienie takich ciał niebieskich, nazwanych obecnie Syriuszem B i Procjonem B, zostało potwierdzone już po jego śmierci. Również odkrycie planety Neptun można w dużym stopniu przypisać astronomowi. W artykule z 1840 zwrócił on bowiem uwagę na obserwowane przez siebie niewielkie nieregularności orbity Urana, które przypisał wpływowi nieznanej planety położonej jeszcze dalej.