1781年3月，赫歇尔在一次仔细扫描中发现在土星之外很远处有一颗新行星（当时天文学家认为土星是最远的行星），这是一项著名的发现。其他天文学家曾经看到过这颗不久被命名为天王星的行星，但是他们总把它当成一颗恒星，因而毫不在意。然而，赫歇尔在夜空扫描中记住了数千恒星的位置，于是迅速意识到这一小光斑是一个“漫游者”，因为这个地方不应该有恒星。那它是彗星还是行星呢？赫歇尔向当时的皇家天文学家报告这一发现并等候回答。皇家天文学家在计算它的轨道之后回复说，这是一颗行星。确实是行星，由于它离得如此之远，于是，太阳系的大小几乎比人们公认的增加了一倍。赫歇尔一夜成名了。
奇怪的是，在牛顿之后，天文学在所有人看来都已回归平常。毕竟，牛顿已经解释了每一件事情，该知道的都已经知道了。理论家正在对付不切实际的哲学，但是这些哲学大多是太难了而无法认真对待，而那些一线的天文学家忙于计算和编制星表。不时有新恒星公布，但是对于大多数人来说，一颗恒星就是一颗恒星而已。然而，一颗新的行星就不同了，这是以前所不知道的，却又离我们更近，甚至普通人也能实际去想象它的存在。更为激动人心的是，人们会想，也许太阳系里还有未被发现的东西吧，也许科学家并不是什么都知道。
1772年，凯洛琳·赫歇尔来到英国加入她兄长的观测工作。这位音乐家和业余天文学家突然使天文学再度令人激动。但是对于赫歇尔来说，兴奋有点过头了。他被指定为皇家学会会员，有人请他喝酒，聚会，赴宴，并给乔治三世（GeorgeⅢ，1738—1820）当宫廷天文学家。正如凯洛琳很快认识到的那样，这最后一项荣誉对她兄长是一个巨大不利。有了它，虽然可以领到一笔年金，却必须辞退音乐家的工作，变成全职的天文学家。遗憾的是，年金远不及他当音乐家的收入。不过赫歇尔却认为，不可以拒绝国王的任命。必须寻找别的办法维持收入。他们是优秀的望远镜制造者，事实上，有人说，他们做的望远镜是世界上最好的。兄妹两人不得不制造并出售这些精制仪器，以换取额外收入。
与此同时，因为有了更多的时间可以从事新的事业，赫歇尔致力于建造梦寐以求的大型仪器，使他能够看得更远。他写道：“我要比所有前人都看得更远。”天王星是他的骄傲。1787年，他又发现了天卫三和天卫四（天王星的两颗卫星），并且，在他结束工作之前，他又发现了土星的两颗卫星。但是赫歇尔的至爱依然是满天的繁星以及那些庞大的望远镜，正是它们使他有可能探望更远的星空。
观测天文学家凯洛琳·赫歇尔是8颗彗星的独立发现者，也是她兄长的密切合作者。她活到98岁，把一生奉献给了天文学。他的望远镜并不都是成功的。有一台“巨人”望远镜，当赫歇尔爬上它的底座时，由于不堪承重而塌了下来。另一台，计划要安装一面直径3英尺的镜面，于是，他不得不用“一大堆马粪”作为镜片铸模，热心的凯洛琳加工制作了这些马粪。就在浇铸的那一天，过热的铸模熔化了，熔化的金属随之流到地板上，顿时作坊变成了一座恶臭熏人的小型维苏威火山，凯洛琳和赫歇尔只得拔腿就跑。
在某些人看来，赫歇尔兄妹一定是全力以赴在建造望远镜，其实他们为观测挤出了足够的时间。1788年赫歇尔和一位有钱女子结婚，这使他们不用再忙于建造望远镜，于是才有可能专注于自己的望远镜和观测。
哈雷证明过，恒星并不总是“固定”的，而是在天空中做“固有运动”。1783年威廉在观测中证明，太阳也在天空中运动，这是他作出的第一个“有关恒星的重大发现”。我们的太阳系确实在做整体运动。太阳、行星和月亮不仅彼此在做复杂的相对运动，而且这种运动的舞台本身也处于运动之中，因为整个系统在相对天空而移动。不仅太阳不再是宇宙静止的中心，而且现在看来，太阳系也不是。人类又再次发现自己在宇宙中并不占有优越地位，而只是栖居于一个小球上，这个小球也只不过是伟大的宇宙中的一个小小参与者。对于18世纪的思想家来说，越来越明显的是，整个宇宙就是一种永不停息的运动之舞。
不仅是万物都在运动，而且“万物”要比人们所能想象的更多。
赫歇尔总是着迷于天上神秘的片状星云物，有些思想家猜测，这些星云是大量恒星的集合，因为它们太远了，无法看清楚。用他那更大更精确的望远镜，赫歇尔就能看清它们中的许多，并且证明，它们确实是大量恒星的集合或者说就是星系。不过，他早期认为所有星云都是巨大星系的结论后来被证明是错的，因为许多星云不能再分解成确凿的恒星，他猜测，许多星云是某种“发光流体”组成的巨云，是形成“未来太阳的原始材料”。
18世纪80年代，在和凯洛琳对所谓的双星作了一系列长期观测之后，他还证明牛顿定律确实是普遍的。许多双星不一定正好成对，而是相互靠得非常之近，以致于被引力锁住，在一个彼此共有的轨道上运转。这就进一步证明了，牛顿定律的有效性远远超过了太阳系，延伸到了整个浩瀚的太空。
赫歇尔于1816年被封为爵士，他的观测几乎从未中断，直到1822年去世时为止。在启蒙运动时期的所有天文学家中，正是他的贡献更多地使天文学走向现代。他的望远镜观测使理性时代思想家的思辨变成了现实，这些思想家开始看到并且理解人类在宇宙中的地位——处在这一卑微的名为地球之行星上的我们，与那些游荡着的恒星和星系一起，只不过是浩瀚宇宙中的沧海一粟。
对于有些人来说，这些知识是可怕的。人类和地球在科学家眼里变得越来越不重要，不再享有特权。然而，对于其他人，一个奇异的新世界正在展开。因为哈雷、赫歇尔和其他观测天文学家开始向我们揭示，那是什么？像康德、拉普拉斯那样的思想家则企图按宇宙的机械论特性理解它如何而来。所有的片段如何形成一个整体？如果宇宙确实充满了星系，星系又是怎样形成的？恒星和行星又是如何形成的？宇宙本身从何而来？它有开始吗？有结束吗？这些都是大问题，甚至需要许多年才能建立起一套严肃的理论，必须知道更多东西，需要发展许多新仪器和技术。还有更多基本的物理学有待理解。这一“控制”如此之多东西的神秘“引力”究竟是什么？什么是光？什么是热？恒星如何“发光”？
这是一个费力和复杂的议程——它将会占用许多的科学家好几百年的时间。自从古希腊以来，没有人试图解释这么多问题。但是，牛顿已经给予他们一把钥匙——而且启蒙运动的思想家们相信，他们用那把钥匙就可以轻易解开所有的自然奥秘。这是他们的荣耀，因为这项任务远比他们想象的要复杂得多。
新地质学的诞生
正当18世纪天文学家继续关注宇宙深处和太阳系这一迷人领域时，另一些思想家开始把注意力转向地球自身的历史以及它的起源。如果天体可以被理解为一部按牛顿定律运行的巨型钟表机制，是不是也有一种机制可以解释地球各种特征的创生？为什么会有陆地和海洋？为什么会有山峦和低谷？为什么岩石有不同的种类？某些岩石看上去像是镶嵌有各种生物或物体，那些奇怪的特征意味着什么？
古希腊哲学家曾经猜测过形成地球特征的原因。米利都的泰勒斯曾经注意到海浪冲击海岸造成的破坏力，但是蜿蜒的河流持续侵蚀河床的破坏力也不亚于海浪。泰勒斯说，显然水有改变地形的巨大能力。在泰勒斯看来，水是如此重要以致他相信水是地球上所有物体的本原，包括有生命的和无生命的。泰勒斯说，地球自身可以看成是一艘浮游在巨大海洋中的船，海洋中翻滚的波浪可能是地震的起因，我们的地球因此而颠来晃去。尽管泰勒斯以及其他希腊思想家的许多思想在今天看来天真得不可相信，但他认识到水的力量是塑造和形成地形的基本力量这一点却是一项重要的早期观察结果。当然，他的思辨仅仅只是思辨而已。伟大的希腊思想家都是哲学家，不是科学家，因为古希腊人并不想、也不打算科学地“证明”自己的思想，他们就没有办法比较，哪种猜想更正确。所有的参与者都有权利持有某种观点，假如他们的智力正常的话。
大约公元前100年，世界上的文化、商业和政治权力中心转移到了罗马，罗马人不理思辨那一套。他们更注重实际而不是哲学，宁可把时间花在设计最好的方法来建造道路、桥梁、隧道和沟渠，以便扩展罗马的权力和声望。对于罗马人来说，操心为什么大山会矗立在那里，是无益之举，取而代之的是，他们更愿意找到最好的方法，以建造越过或绕过这些大山的道路。
罗马衰败之后，西方世界大多数智力活动都局限于修道院，求知兴趣大多转向东方。在那里，在伊斯兰的学堂里，许多古希腊和古罗马的思想得以保留。然而，阿拉伯的知识分子，尽管他们借用、保留和补充希腊的知识，却很少对我们今天所谓的地质学感兴趣。伟大的阿拉伯哲学家阿维森纳（Avicenna，980～1037）虽然尝试建立一个算不上精致的系统，借用了古希腊的一些思想加以补充，但是仍有许多问题大多是出自他自己的解释。
文艺复兴时期，当求知之风开始从东方缓慢地吹回西方世界时，在知识门类的清单中，地质学研究仍然处于末位。杰出艺术家达·芬奇兴趣广博，他于1508年就地质学问题提出了自己的思想。其中有些想法来自阿维森纳的思想，例如山脉是由高地侵蚀而成，不过达·芬奇也提出自己的看法，比如，河流的形成靠的是雨水和融雪，在意大利北部发现的奇异化石贝壳是曾经在此生存过的海底生物的遗骸，当陆地被海水淹没时，它们就已经死了。不过大体说来，相对于阿拉伯人或古希腊人，达·芬奇的地质学思想并未高明多少。
由于基督教会的介入，情况变得更为复杂，整个中世纪，文明之薪火几乎受教会一手操纵，但是，一个强有力的单一权威力量的形成非一朝一夕之事。既然古人对于地质学问题兴趣不大，那么，当他们涉猎此领域并大胆提出自己的看法时，就不会面临任何正式或明确的反对意见。如果他们对此保持相对沉默或见解缺乏深度，那么，这种停滞更多与他们缺乏兴趣或训练有关，而与现有权威的干涉无关。
然而，随着基督教教会的权力越来越大，情况有了很大变化。17世纪伽利略的天文学观测使他得出结论，是太阳而不是地球处于太阳系的中心，这一结论激起了教会的愤怒。它与当时的教义直接矛盾，而教义是基于圣经世界观和托勒密流传下来的天文学系统。对于教会来说，来自上帝的启示是神圣的，圣经是主宰一切的最终权威。基督教徒可以去询问地球的历史，但是他们只能转向圣经去找答案。
1654年，有一位爱尔兰主教，名叫厄舍尔（James Ussher，1581—1656），根据圣经的年表仔细计算了地球的年龄，确定地球的第一天是公元前4004年的10月23日，也许是上午9点钟。他还为整个宇宙的创造过程建立了一个时间表，结果是一个礼拜，正如圣经所述。厄舍尔的计算在当时很受欢迎，因为大多数神学家都同意，地球的年龄在5000年和6000年之间。当早期学者开始涉猎地球及其形成这一领域时，面对的正是这一背景。
当然，地球看来远不止几千年，任何一位有心的观察者显然都会看出这一问题。随处可见的断裂和风化现象，高耸的山脉、深谷和悬崖，这些事实都在强烈地暗示，地球曾经遭受过巨大的沧桑之变。实际上神学家一般也都同意，地球正处于严重的衰落中，也许维持不了多久了。然而，它怎么可能在这么短的时间内变化如此之大呢？
另一个问题是，岩石中埋藏的化石。化石的知识可以追溯到古希腊，但是它们的存在一直令人困惑。在17世纪末，许多严肃的思想家逐渐接受化石是过去生物的有机遗骸。但是，依然有不少人死死守住更神秘的或者柏拉图的观点而不放。
形成和化石（formations and fossils）这两个词其实具有内在的联系，它们正是17和18世纪地质学研究的焦点所在。
斯蒂诺的化石
第一位认真考察这两大重要问题的思想家是17世纪丹麦人斯蒂诺（Nicolas Steno，1638—1686）。斯蒂诺出生于哥本哈根，是一个富有的金匠的儿子。他和许多早期科学家一样接受过医学教育，并且幸运地成了托斯卡大公爵的私人医生。因为大公爵很健康也很慷慨，所以斯蒂诺没有后顾之忧，可以有足够的时间从事他感兴趣的工作，他的兴趣之一就是化石。
当斯蒂诺解剖鲨鱼时，把鲨鱼的牙齿与所谓的舌状石比较，古人曾经认为这种舌状石是夜间从天上掉下来的。在确信舌状石确是石化的鲨鱼牙齿后，斯蒂诺成了化石的热心收集者，到处访问采石场，考察各种不同岩石的形成过程。
仔细的研究使他确信，化石是保存在岩石中的生物残骸，这些生物曾经栖居于海中。1669年，他在一本书中提出了这一论点，这本书的题目很别扭，叫做《关于在固体中自然封存之固体的论文之序》（Prodrome to a Dissertation Concerning a Solid Naturally Enclosed Within a Solid）。斯蒂诺说，埋有化石的岩石是由泥浆水沉积而成，其中既有海水也有淡水。有些化石，例如鲨鱼牙齿和海生贝壳类显然就是海洋生物，因此发现这些化石的区域必定曾被海水覆盖过。他还指出，其他生活在淡水中的生物，也许是被诺亚洪水带到此地的，当时人们普遍相信这场洪水发生于大约4000年前。发现的大骨头和牙齿很可能是更近期的生物，诸如大象的遗骸，公元前218年，汉尼拔军队可能是骑着这些大象与罗马人作战的。
他还提出一种言之有理的说法，浸没于水中的巨大岩层有可能坍塌，形成山峦和峡谷。但是，据斯蒂诺说，并不是所有的山峦都是这样形成的。有些显然是火山岩，是从地球深处燃烧着的火喷出的灰烬和岩浆。有些是流水侵蚀的结果，与激流冲出悬崖与峡谷的过程一样。