À30 ans, il vend l'affaire familiale et construit unobservatoire à Tulse Hill dans le sud deLondres. Il y étudie lesraies d'émission et d'absorption de divers objets célestes. La premièreobservation spectroscopique de William Huggins publiée en 1863 démontre que lesétoiles sont composées des mêmes éléments qui apparaissent sur laTerre et sur la surface duSoleil[réf. souhaitée]. En1875, après son mariage avecMargaret Lindsay Murray, sa femme l'aide dans ses observations. Tandis que la plupart des biographies mentionnent le nom de celle-ci comme simple assistante, son activité semble aller bien au-delà[1].
Il est le premier à distinguer lesnébuleuses desgalaxies en montrant que certaines (tel que lanébuleuse d'Orion) présentent le spectre d'un gaz chaud, tandis que d'autres, comme lagalaxie d'Andromède, présentent un spectre caractéristique d'uneétoile.
Huggins est président de laRoyal Society de 1900 à 1905.