Hans voksenliv bestod af tre forskellige perioder: som videnskabelig forsker uden penge; han opnåede stor rigdom og anseelse gennem sit ry for hårdt arbejde og skrupelløs ærlighed efter den store brand i 1666, og til sidst blev han syg og part i jaloux intellektuelle stridigheder (sidstnævnte kan have bidraget til hans relative historiske ubemærkethed). På et tidspunkt var han samtidig kurator for eksperimenter i Royal Society, medlem af dets råd, Gresham-professor i geometri og landmåler for London City of London efter den store brand i London (i denne egenskab synes han at have udført mere end halvdelen af alle opmålinger efter branden). Han var også en vigtig arkitekt i sin tid – selv om kun få af hans bygninger nu er bevaret, og nogle af dem er generelt forkert tilskrevet – og var medvirkende til at udforme et sæt planlægningsregler for London, som stadig har indflydelse den dag i dag. Allan Chapman har karakteriseret ham som “Englands Leonardo”. Robert Gunther’s Early Science in Oxford, en historie om videnskaben i Oxford under protektoratet, restaurationen og oplysningstiden, dedikerer fem af sine fjorten bind til Hooke. Hooke studerede på Wadham College i Oxford under Protektoratet, hvor han blev en del af en tæt sammensat gruppe af glødende royalister under ledelse af John Wilkins. Her blev han ansat som assistent for Thomas Willis og Robert Boyle, for hvem han byggede de vakuumpumper, der blev brugt i Boyles gaslove-eksperimenter. Han byggede nogle af de tidligste gregorianske teleskoper og observerede Mars’ og Jupiters rotationer. I 1665 inspirerede han til brugen af mikroskoper til videnskabelig udforskning med sin bog Micrographia. På baggrund af sine mikroskopiske observationer af fossiler var Hooke en tidlig fortaler for den biologiske evolution. Han undersøgte fænomenet brydning og udledte bølgeteorien om lys, og han var den første til at foreslå, at stof udvider sig, når det opvarmes, og at luft består af små partikler, der er adskilt af relativt store afstande. Han udførte pionerarbejde inden for landmåling og kortlægning og var involveret i det arbejde, der førte til det første moderne kort i planform, selv om hans plan for London på et gitternet blev forkastet til fordel for en ombygning langs de eksisterende veje. Han var også tæt på et eksperimentelt bevis for, at tyngdekraften følger en omvendt kvadratisk lov, og han opstillede en hypotese om, at en sådan sammenhæng styrer planeternes bevægelser, en idé, der uafhængigt blev udviklet af Isaac Newton. En stor del af Hookes videnskabelige arbejde blev udført i hans egenskab af kurator for eksperimenter i Royal Society, en stilling han havde fra 1662, eller som en del af Robert Boyles husholdning.