Em 1665 o francês Pierre Petit, em seu Dissertação sobre a Natureza dos Cometas propôs pela primeira vez que suas órbitas fossem fechadas, e que os cometas de 1618 e 1664 poderiam ser o mesmo cometa. Vinte anos mais tarde Halley especulou sobre o problema da gravitação em relação aos cometas. Sem conseguir resolver o problema, em agosto de 1684 ele propôs o problema a Newton.Newton disse que já havia resolvido o problema muitos anos antes, e que todos os movimentos no sistema solar poderiam ser explicados pela lei da gravitação. Um cometa na constelação de Virgem em 1680 tinha uma órbita claramente curva.

Em 1682 um cometa ainda mais brilhante, que mais tarde levaria o nome de Halley, teve sua órbita bem determinada por Halley, usando a teoria de Newton. Em menos de 2 anos Newton tinha escrito os dois primeiros volumes do Principia, com suas leis gerais, mas também com aplicações a colisões, o pêndulo, projéteis, frição do ar, hidrostática e propagação de ondas. Somente depois, no terceiro volume, Newton aplicou suas leis ao movimento dos corpos celestes. Foi graças ao esforço de Halley que o Principia foi publicado. Halley chegou a custear a impressão do mesmo, apesar de problemas judiciais com a herança de seu pai. Halley também cuidou da discussão com o impressor, da correção das provas, verificação dos diagramas e cálculos.

Halley foi nomeado professor Savilian de geometria em Oxford em 1704. Em 1720 foi o sucessor de John Flamsteed (1646-1719) como Astrônomo Real. No Greenwich Observatory usou o primeiro instrumento de trânsito e estabeleceu um método para determinar a longitude no mar usando observações lunares. Halley foi quem descobriu o cúmulo globular em Hércules, e em 1718 detectou o movimento próprio das estrelas. Ele produziu um estudo intensivo do magnetismo terrestre, das marés, e correntes, e fez avanços na compreensão de fenômenos meteorológicos. A primeira descrição do ciclo de evaporação, formação de nuvens e precipitação é sua.