Proslavil se svým zákonem o přímé úměrnosti velikosti deformace a napětí v deformovaném tělese. Zabýval se vývojem mikroskopu a připisuje se mu zavedení biologického pojmu buňka. Spolupracoval s Robertem Boylem při konstruování vývěvy, kterou později použil na experimenty s plyny. Úspěchů dosáhl i v astronomii, vyráběl dalekohledy a došel k závěru, že planety Mars a Jupiter se otáčejí okolo své osy.
Zkoumal lom vlnění (refrakci), objevil dualitu částice a vlnění a byl první, kdo navrhl, že plyny se rozpínají kvůli svému složení - malým částicím, které jsou od sebe odděleny poměrně velkými vzdálenostmi. Vyslovil také některé názory na gravitaci dříve než Newton. Zajímal se také o architekturu. Po požáru Londýna v roce 1666 vytvořil plány na obnovu města. V těchto kruzích měl dobré známosti, byl to přítel Christophera Wrena. Stal se členem organizace Royal Society, která byla založena v roce 1660. V roce 1665 vydal knihu Micrographia, v níž zveřejnil mnoho svých pozorování. Mezi jeho vynálezy dále patří vodováha, univerzální kloub, hodinový nepokoj a anemometr.
Hookova sláva byla během 18. století z velké části zapomenuta a později byl zastíněn Isaacem Newtonem. říká se dokonce, že Newton zničil jediný portrét svého předchůdce. Během dvacátého století začal být znovu považován za jednoho z nejdůležitějších vědců své doby. Robert Hooke zemřel 3. března 1703 v Londýně.