En mathématiques, il composa le premier traité complet de calcul des probabilités et donna la théorie des développées et développantes. En astronomie, il inventa un oculaire éliminant l'aberration chromatique. Il découvrit l'anneau de Saturne et son premier satellite, Titan (1655), la rotation de Mars et sa période. Il fut l'un des premiers à indiquer que les étoiles sont d'autres soleils, extrêmement éloignés. En mécanique, il donna une théorie du pendule, qu'il utilisa comme régulateur du mouvement des horloges, imaginant l'échappement à ancre en 1657. Il introduisit les notions de forces vives (dont il montra la conservation lors des chocs), de force centrifuge et de moment d'inertie. En optique, il adopta une théorie ondulatoire (1678) où il supposa que la lumière était constituée par les vibrations d'un milieu matériel très ténu, l'éther. Il expliqua ainsi la réflexion et la réfraction, mais ne put rendre compte de la propagation rectiligne de la lumière, à l'encontre des théories corpusculaires de l'époque.
