Felnőtt élete három különböző időszakot ölelt fel: pénz híján tudományos kutatóként; az 1666-os nagy tűzvész után szorgalmas munkájáról és lelkiismeretes becsületességéről szerzett hírneve révén nagy vagyonra és tekintélyre tett szert, végül megbetegedett és féltékeny szellemi viták részesévé vált (ez utóbbi hozzájárulhatott viszonylagos történelmi ismeretlenségéhez). Egy időben egyszerre volt a Királyi Társaság kísérleteinek kurátora, tanácsának tagja, a geometria Gresham-professzora, és a londoni nagy tűzvész után London városának földmérője (úgy tűnik, ebben a minőségében végezte a tűzvész utáni összes felmérés több mint felét). Korának fontos építésze is volt – bár ma már kevés épülete maradt fenn, és ezek közül néhányat általában tévesen tulajdonítanak neki -, és jelentős szerepet játszott London tervezési szabályainak kidolgozásában, amelyek hatása máig megmaradt. Allan Chapman úgy jellemezte őt, mint “Anglia Leonardóját”. Robert Gunther Early Science in Oxford című műve, amely a protektorátus, a restauráció és a felvilágosodás korának oxfordi tudománytörténete, tizennégy kötetéből ötöt Hooke-nak szentel. Hooke a protektorátus idején az oxfordi Wadham College-ban tanult, ahol a John Wilkins vezette lelkes királypártiak szorosan összetartozó csoportjába került. Itt Thomas Willis és Robert Boyle asszisztenseként dolgozott, akinek ő építette a Boyle gáztörvény-kísérleteihez használt vákuumszivattyúkat. Megépítette a legkorábbi gregorián távcsövek egyikét, és megfigyelte a Mars és a Jupiter forgását. 1665-ben a Micrographia című könyvével inspirálta a mikroszkópok használatát a tudományos kutatásban. A kövületeken végzett mikroszkópos megfigyelései alapján Hooke a biológiai evolúció korai híve volt. Vizsgálta a fénytörés jelenségét, levezetve a fény hullámelméletét, és ő volt az első, aki felvetette, hogy az anyag melegítéskor kitágul, és hogy a levegő viszonylag nagy távolságok által elválasztott kis részecskékből áll. Úttörő munkát végzett a földmérés és a térképkészítés területén, és részt vett abban a munkában, amely az első modern alaprajzú térképet eredményezte, bár a Londonra vonatkozó, rácsos rendszerű tervét elvetették a meglévő útvonalak mentén történő újjáépítés javára. Közel került annak kísérleti bizonyításához is, hogy a gravitáció a fordított négyzetes törvényt követi, és feltételezte, hogy ez az összefüggés irányítja a bolygók mozgását; ezt az elképzelést Isaac Newton ettől függetlenül fejlesztette tovább. Hooke tudományos munkájának nagy részét a Királyi Társaság kísérleteinek kurátoraként végezte – ezt a tisztséget 1662-től töltötte be -, illetve Robert Boyle háztartásának tagjaként.