Zijn volwassen leven bestond uit drie verschillende perioden: als wetenschappelijk onderzoeker zonder geld; het bereiken van grote rijkdom en aanzien door zijn reputatie van hard werken en nauwgezette eerlijkheid na de grote brand van 1666, en uiteindelijk ziek worden en partij worden in jaloerse intellectuele twisten (dit laatste kan hebben bijgedragen aan zijn relatieve historische obscuriteit). Op een bepaald moment was hij tegelijkertijd curator van experimenten van de Royal Society, lid van de raad daarvan, Gresham Professor in Geometrie, en landmeter van de stad Londen na de grote brand van Londen (in welke hoedanigheid hij meer dan de helft van alle landmetingen na de brand schijnt te hebben uitgevoerd). Hij was ook een belangrijk architect in zijn tijd – hoewel er nu nog maar weinig van zijn gebouwen bewaard zijn gebleven en sommige daarvan over het algemeen verkeerd worden toegeschreven – en hij speelde een belangrijke rol bij het ontwerpen van een pakket bouwvoorschriften voor Londen, waarvan de invloed tot op de dag van vandaag voortduurt. Allan Chapman heeft hem gekarakteriseerd als “England’s Leonardo”. Robert Gunther’s Early Science in Oxford, een geschiedenis van de wetenschap in Oxford tijdens het Protectoraat, de Restauratie en het tijdperk van de Verlichting, wijdt vijf van zijn veertien delen aan Hooke. Hooke studeerde aan het Wadham College in Oxford tijdens het Protectoraat, waar hij deel uitmaakte van een hechte groep fervente Royalisten onder leiding van John Wilkins. Hier werkte hij als assistent van Thomas Willis en van Robert Boyle, voor wie hij de vacuümpompen bouwde die gebruikt werden bij de gaswet-experimenten van Boyle. Hij bouwde enkele van de eerste Gregoriaanse telescopen en observeerde de rotaties van Mars en Jupiter. In 1665 inspireerde hij het gebruik van microscopen voor wetenschappelijk onderzoek met zijn boek, Micrographia. Op basis van zijn microscopische observaties van fossielen was Hooke een vroege voorstander van biologische evolutie. Hij onderzocht het fenomeen van breking, leidde de golftheorie van licht af, en was de eerste die suggereerde dat materie uitzet bij verhitting en dat lucht bestaat uit kleine deeltjes die door relatief grote afstanden van elkaar worden gescheiden. Hij verrichtte baanbrekend werk op het gebied van de landmeetkunde en het maken van kaarten en was betrokken bij het werk dat leidde tot de eerste moderne plattegrond, hoewel zijn plan voor Londen volgens een rastersysteem werd verworpen ten gunste van heraanleg volgens de bestaande routes. Hij kwam ook dicht bij een experimenteel bewijs dat de zwaartekracht een omgekeerde kwadratische wet volgt, en veronderstelde dat een dergelijke relatie de bewegingen van de planeten beheerst, een idee dat onafhankelijk werd ontwikkeld door Isaac Newton. Veel van Hooke’s wetenschappelijk werk werd verricht in zijn hoedanigheid van curator van experimenten van de Royal Society, een functie die hij bekleedde vanaf 1662, of als deel van de huishouding van Robert Boyle.