Считается, что в своих работах по математике Хайям обогнал современную ему европейскую науку не менее чем на 500 лет.
Очень быстро Хайям становится придворным учёным, которому покровительствуют известные правители-меценаты. Сначала молодой учёный приглашается ко двору наследного принца в Бухаре, а затем возглавляет астрономическую лабораторию в столичном Исфахане при дворе могущественного правителя династии Сельджукидов Малик-шаха. Авторитет Омара Хайяма как придворного астролога был невероятно высок, слава о нём быстро разнеслась по всему Востоку. Однако после смерти Малик-шаха и визиря Низам ал-Мулька звёзды отвернулись от Омара Хайяма, самый продуктивный исфаханский период его жизни заканчивается. Сильная держава тонет в междоусобных распрях, обсерватория приходит в запустение. Авторитетному учёному, лишившемуся покровительства сильных мира сего, досаждают завистники и клеветники. Обвиненный в безбожном вольнодумстве, поэт вынужден покинуть сельджукскую столицу. Омар Хайям возвращается в Нишапур, где преподаёт в родном медресе и общается с очень ограниченным кругом учеников. Авторитет Хайяма-астролога остаётся по-прежнему чрезвычайно высоким, но обратиться к нему можно лишь при помощи узкого круга друзей. В нишапурские годы к славе Омара Хайяма как выдающегося учёного и астролога прибавилась еще крамольная репутация вольнодумца и вероотступника.
Научно-философское наследие Омара Хайяма невелико. В отличие от своего предшественника Авиценны, Хайям не дал целостной, разработанной им философской системы. Трактаты Омара Хайяма затрагивают лишь отдельные, правда, из числа важнейших, вопросы философии. До наших дней сохранилось пять философских сочинений Хайяма. Это «Трактат о бытии и долженствовании», «Трактат о существовании», «Трактат о всеобщности существования», «Ответ на три вопроса» и «Свет разума о предмете всеобщей науки». В целом сегодня известны десять трактатов, составляющих письменное наследие персидского учёного и философа.
Омар Хайям никогда не считал себя стихотворцем всерьез, однако стихи писал всю жизнь. Прекрасные строки рождались в часы раздумий и во время отдыха. Он писал свои рубаи «для души», иногда чтобы отвлечься, иногда подводя вкратце итог наблюдениям над жизнью, философским раздумьям, учёным трудам. Стихотворную форму поэт позаимствовал из устного народного творчества иранцев. В Персии рубаи выполняли приблизительно ту же роль, что и русские частушки. Однако Омар Хайям внёс неоценимый вклад в развитие жанра рубаи, наполнив свои четверостишия глубокой философией и вековой мудростью. Так, бытовой народный стишок превратился в прекрасную жемчужину мысли. Созданные почти тысячу лет назад, рубаи Омара Хайяма продолжают радовать читателей всего мира своей лаконичностью, яркостью и образностью и по сей день.
«Имам Хорасана, Учёнейший муж века, Доказательства Истины, Знаток греческой науки, Царь философов Востока и Запада» – таков, по утверждениям историков, далеко не полный перечень почётных титулов Омара Хайяма в зените его славы. Существует легенда, будто в своём родном Хорасане поэт перед смертью погрузился в созерцание, окунулся в мистицизм и углубился в самосознание. Однажды во время чтения «Книги об исцелении» Авиценны поэт почувствовал приближение смерти. Дойдя до раздела о едином и множественном, он заложил между страницами золотую зубочистку и сказал имаму Мохаммеду Багдадскому: «Позови народ, я сделаю завещание». Когда единомышленники собрались, он исполнил, согласно известным условиям, «стояние» (стояние на священной горе Арафат) и занялся молитвою. И отвратился от всего постороннего. Исполнив молитву на сон грядущий, он пал ниц на землю и сказал: «Боже! Поистине я познал тебя по мере возможности моей. Прости меня! Поскольку я познал тебя, постольку я к тебе приблизился!» Это были последние слова великого учёного, мудреца и поэта. За десять лет до этого в Балхе, в доме работорговца Абу Саида Джарре, Омар Хайям сказал: «Могила моя будет расположена в таком месте, где каждую весну ветерок будет осыпать меня цветами». Так оно и произошло. Могила поэта расположена у подножия стены, огораживающей сад. Грушевые и абрикосовые деревья, растущие там, свесили свои ветви через стену и скрыли всю могилу поэта под своими цветами. Сейчас в Нишапуре над могилой Хайяма воздвигнут величественный мавзолей, одно из красивейших мемориальных сооружений в Иране.