Hooken aikuiselämään kuului kolme erillistä ajanjaksoa: tieteellisenä tutkijana, jolla ei ollut rahaa; hän saavutti suuren varallisuuden ja aseman kovan työn ja tunnollisen rehellisyyden maineensa ansiosta vuoden 1666 suuren tulipalon jälkeen ja lopulta sairastui ja joutui kateellisten älyllisten riitojen osapuoleksi (jälkimmäinen saattoi osaltaan vaikuttaa hänen suhteelliseen historialliseen tuntemattomuuteensa). Aikoinaan hän toimi samanaikaisesti Royal Societyn kokeilujen kuraattorina, sen neuvoston jäsenenä, geometrian Gresham-professorina ja Lontoon kaupungin maanmittarina Lontoon suuren palon jälkeen (tässä ominaisuudessa hän näyttää tehneen yli puolet kaikista palon jälkeisistä tutkimuksista). Hän oli myös aikansa merkittävä arkkitehti – vaikkakin hänen rakennuksistaan on vain vähän säilynyt, ja jotkin niistäkin on yleensä väärin luokiteltu – ja hän oli keskeisessä asemassa laadittaessa Lontooseen suunnittelusääntöjä, joiden vaikutus on edelleen olemassa. Allan Chapman on luonnehtinut häntä ”Englannin Leonardoksi”. Robert Guntherin teoksessa Early Science in Oxford, joka käsittelee Oxfordin tiedettä protektoraatin, restauraation ja valistuksen aikakauden aikana, viisi teoksen neljästätoista niteestä on omistettu Hookelle. Hooke opiskeli Wadham Collegessa Oxfordissa protektoraatin aikana, jossa hänestä tuli yksi John Wilkinsin johtaman kiihkeän rojalistiryhmän tiiviistä jäsenistä. Siellä hän työskenteli Thomas Willisin ja Robert Boylen avustajana, jolle hän rakensi Boylen kaasulakikokeissa käytetyt tyhjiöpumput. Hän rakensi joitakin varhaisimpia gregoriaanisia kaukoputkia ja havainnoi Marsin ja Jupiterin pyörimistä. Vuonna 1665 hän innoitti mikroskooppien käyttöä tieteellisessä tutkimuksessa kirjallaan Micrographia. Hooke oli fossiileista tekemiensä mikroskooppihavaintojen perusteella biologisen evoluution varhainen kannattaja. Hän tutki taittumisilmiötä ja päätteli valon aaltoteorian, ja hän oli ensimmäinen, joka esitti, että aine laajenee kuumennettaessa ja että ilma koostuu pienistä hiukkasista, joiden välillä on suhteellisen suuri etäisyys. Hän teki uraauurtavaa työtä maanmittauksen ja kartanvalmistuksen alalla ja osallistui työhön, joka johti ensimmäiseen nykyaikaiseen suunnitelmamuotoiseen karttaan, vaikka hänen suunnitelmansa Lontoosta ruudukkojärjestelmään hylättiin olemassa olevien reittien uudelleenrakentamisen hyväksi. Hän oli myös lähellä kokeellista todistusta siitä, että painovoima noudattaa käänteisen neliön lakia, ja hän esitti hypoteesin, että tällainen suhde hallitsee planeettojen liikkeitä, ajatuksen, jonka Isaac Newton kehitti itsenäisesti. Suuri osa Hooken tieteellisestä työstä tehtiin hänen toimiessaan Royal Societyn kokeiden kuraattorina, jota tehtävää hän hoiti vuodesta 1662 alkaen, tai osana Robert Boylen taloutta.