Sein Leben als Erwachsener bestand aus drei verschiedenen Perioden: als wissenschaftlicher Forscher, dem es an Geld mangelte; als er nach dem großen Brand von 1666 durch seinen Ruf für harte Arbeit und gewissenhafte Ehrlichkeit zu großem Reichtum und Ansehen gelangte; und schließlich als er krank wurde und in eifersüchtige intellektuelle Streitigkeiten verwickelt war (letzteres mag zu seiner relativen historischen Unbekanntheit beigetragen haben). Er war gleichzeitig Kurator für Experimente der Royal Society, Mitglied ihres Rates, Gresham-Professor für Geometrie und Vermessungsingenieur der Stadt London nach dem großen Brand von London (in dieser Funktion scheint er mehr als die Hälfte aller Vermessungen nach dem Brand durchgeführt zu haben). Er war auch ein bedeutender Architekt seiner Zeit – obwohl nur wenige seiner Gebäude erhalten sind und einige von ihnen im Allgemeinen falsch zugeschrieben werden – und war maßgeblich an der Entwicklung einer Reihe von Planungskontrollen für London beteiligt, deren Einfluss bis heute anhält. Allan Chapman hat ihn als „Englands Leonardo“ bezeichnet. Robert Gunthers Early Science in Oxford, eine Geschichte der Wissenschaft in Oxford während des Protektorats, der Restauration und des Zeitalters der Aufklärung, widmet fünf seiner vierzehn Bände Hooke. Hooke studierte während des Protektorats am Wadham College in Oxford, wo er zu einer eng verbundenen Gruppe begeisterter Royalisten unter der Leitung von John Wilkins gehörte. Hier wurde er als Assistent von Thomas Willis und Robert Boyle angestellt, für den er die Vakuumpumpen baute, die in Boyles Experimenten zum Gasgesetz verwendet wurden. Er baute einige der frühesten gregorianischen Teleskope und beobachtete die Rotation von Mars und Jupiter. Im Jahr 1665 regte er mit seinem Buch Micrographia die Verwendung von Mikroskopen für wissenschaftliche Forschungen an. Auf der Grundlage seiner mikroskopischen Beobachtungen von Fossilien war Hooke ein früher Verfechter der biologischen Evolution. Er untersuchte das Phänomen der Lichtbrechung und leitete daraus die Wellentheorie des Lichts ab. Er war der erste, der feststellte, dass sich Materie ausdehnt, wenn sie erhitzt wird, und dass die Luft aus kleinen Teilchen besteht, die durch relativ große Abstände voneinander getrennt sind. Er leistete Pionierarbeit auf dem Gebiet des Vermessungswesens und der Kartenerstellung und war an den Arbeiten beteiligt, die zur ersten modernen Karte in Planform führten, auch wenn sein Plan für London in einem Gittersystem zugunsten eines Wiederaufbaus entlang der bestehenden Strecken verworfen wurde. Er kam auch einem experimentellen Beweis nahe, dass die Schwerkraft einem inversen quadratischen Gesetz folgt, und stellte die Hypothese auf, dass eine solche Beziehung die Bewegungen der Planeten bestimmt, eine Idee, die unabhängig davon von Isaac Newton entwickelt wurde. Ein Großteil von Hookes wissenschaftlicher Arbeit wurde in seiner Eigenschaft als Kurator für Experimente der Royal Society durchgeführt, ein Amt, das er seit 1662 innehatte, oder als Teil des Haushalts von Robert Boyle.