Найважливішим внеском Гюйґенса в розвиток астрономії стало вивчення за допомогою телескопа планети Сатурн. У 1655 році він відкрив її найбільший супутник Титан, виявивши, що супутники мають не лише Земля та Юпітер. Він також пояснив, що дивна некругла форма Сатурна, яку підмітив Ґалілей, зумовлена кільцями, що оточують цю планету.
У 1656–1657 роках Гюйґенс винайшов маятниковий годинник. Цей винахід спирався на спостереження Ґалілея, що час, потрібний маятнику для кожного коливання, не залежить від амплітуди цих коливань. Гюйґенс усвідомлював, що це справедливо лише в межах дуже невеликих коливань, і знайшов геніальний спосіб зберегти незалежність часу від амплітуди навіть для коливань з великою амплітудою. Тоді як попередні неточні механічні годинники поспішали або відставали приблизно на 5 хвилин на день, маятникові годинники Гюйґенса загалом поспішали або запізнювалися не більше ніж на 10 секунд на день, а один із них взагалі запізнювався лише приблизно на ½ секунди на день7.
Розібравшись із періодом маятникових годинників різної довжини, наступного року Гюйґенс зумів вивести величину прискорення тіл, що вільно падають, поблизу земної поверхні. У своєму творі «Маятниковий годинник», опублікованому пізніше, у 1673 році, він зумів показати, що «час одного невеличкого коливання можна зіставити з часом перпендикулярного падіння з половини висоти маятника, як окружність кола можна зіставити з її діаметром»8. Тобто час коливання маятника під невеликим кутом з одного боку до іншого дорівнює добутку числа π і часу проходження тілом відстані, що дорівнює половині довжини маятника (нелегко було Гюйґенсу отримати такий результат без диференційних обчислень). Використовуючи цей принцип та вимірюючи періоди маятників різноманітної довжини, Гюйґенс зумів обчислити прискорення вільного падіння – те, що Ґалілей не міг точно виміряти доступними йому засобами. Як сказав про це Гюйґенс, тіло, що вільно падає, за першу секунду пролітає 151⁄12 «паризьких футів». Відношення паризького фута до сучасного англійського фута за різними оцінками становить 1,06–1,08. Якщо припустити, що 1 паризький фут дорівнює 1,07 англійського фута, то, за результатами Гюйґенса, тіло, що вільно падає, пролітає за першу секунду 16,1 фута, що дає прискорення 32,2 ф/с2, дуже близьке до стандартного сучасного значення – 32,17 ф/с2 (9,81 м/с2). Як хороший експериментатор, Гюйґенс перевірив, що прискорення тіл, що падають, справді відповідає в межах експериментальної похибки прискоренню, яке він вивів зі свого спостереження за маятниками. Як ми побачимо далі, це вимірювання, яке пізніше повторив Ньютон, дало змогу пов’язати силу тяжіння на Землі із силою, яка утримує Місяць на його орбіті.
Прискорення вільного падіння можна було вивести також із більш ранніх результатів, які отримав Річчолі, що вимірював час, за який тіла падають на різноманітні відстані9. Щоб точно виміряти час, Річчолі використовував маятник, ретельно відкалібрований за відліком його коливань у сонячний або зоряний день. На його подив, проведені обчислення підтвердили висновок Ґалілея, що пройдена відстань пропорційна квадрату часу. З цих обчислень, опублікованих у 1651 році, можна було вирахувати (хоч Річчолі цього не зробив), що прискорення вільного падіння дорівнює 30 римським футам на секунду у квадраті. На щастя, Річчолі записав висоту вежі Азінеллі в Болоньї, з якої він скидав багато предметів, як 312 римських футів. Ця вежа все ще стоїть, і її висота відома як 323 сучасні англійські фути (98,45 м), тож римський фут Річчолі мав становити 323/312 = 1,035 англійського фута, а отже, 30 римських футів на секунду у квадраті відповідають 31 англійському футу (9,45 м) на секунду у квадраті, що цілком добре узгоджене із сучасним значенням. Фактично, якби Річчолі знав співвідношення Гюйґенса між періодом маятника та часом, потрібним тілу для падіння на половину його довжини, він міг би скористатися своїм калібруванням маятників, щоб обчислити прискорення вільного падіння, не маючи потреби скидати щось із болонських веж.
У 1664 році Гюйґенса обрали до нової Королівської академії наук із відповідною платнею, і на наступні два десятиліття він перебрався до Парижа. Свою видатну наукову працю з оптики «Трактат про світло» він написав у Парижі 1678 року, започаткувавши нею хвильову теорію світла. Цю роботу не публікували до 1690 року, можливо, тому, що Гюйґенс сподівався перекласти її з французької латиною, але так і не знайшов часу до самої своєї смерті в 1695 році. До хвильової теорії Гюйґенса ми ще повернемося в розділі 14.