1762年，战争结束了，他的生活也就稳定了下来，开始研制大型望远镜。1774年3月，赫歇尔在妹妹卡洛琳的帮助下，终于制作出了第一架大型反射望远镜，口径为12.7厘米，焦距达1.7米。这架望远镜为了减少光的损失，省去了牛顿式平面副镜，改造后的望远镜被称作“赫歇尔式望远镜”，他就是用这种望远镜取得了举世瞩目的成就。
赫歇尔在1781年，用2.1米左右望远镜观测到了天王星，并最终确认它是土星之外的大行星。这是天文学家用望远镜探测到的太阳系中的第一颗新行星，从此他声名大振。同年，土星的两颗卫星和天王星的两颗卫星又先后被他发现。
制造望远镜的一代宗师威廉·赫歇尔，他用毕生的精力来进行望远镜的制作，共磨制了四百多块反射镜面。在制作望远镜上最值得称道的是他制作了一架大型的金属反射望远镜口径达1.22米，长达12米，这是威廉研制的望远镜之最，也是当时世界之最。威廉除了有这些重大发现之外，还在银河系的结构研究上做出了巨大的贡献，并首次确定了银河系的形状、大小以及星星的数量，还找到了太阳空间运动的向点，为近代天文学的发展奠定了基础，被后人誉为“恒星天文学之父”。
威廉的一生都陶醉在这有着无限奥妙的星空中，不知老之将至，他50岁才成婚，娶的是一位曾大力资助他研制大型望远镜的富家寡妇。至于他的妹妹卡洛琳，对天文更是一往情深，终身未嫁。
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