После этого Христиан решил сделать науку основным родом своей деятельности. Отец оставил надежды на политическую карьеру сына. В 1651 году была издана первая научная работа Гюйгенса «Теоремы о квадратуре гиперболы, эллипса и круга», в 1654 году увидел свет труд «Открытие о величине круга». В эти годы Христиан занимался не только математикой, но и физикой, например, исследовал поведение соударяющихся тел. Кроме этого, молодой ученый конструировал и совершенствовал оптические инструменты, в частности телескоп. В этом ему помогал старший брат Константин. Используя усовершенствованный телескоп, 25 марта 1655 года Гюйгенс открыл самый большой спутник Сатурна, впоследствии названный Титаном. Позднее он обнаружил, что «загадочные придатки» Сатурна являются кольцом. Астрономические открытия Христиана Гюйгенса были изложены в его работах «Новые наблюдения спутника Сатурна» (1656) и «Система Сатурна» (1659).
В 1655 году Гюйгенс совершил поездку в Париж. Здесь он познакомился со многими известными учеными, участвовал в научных дискуссиях, а кроме этого, заинтересовался математическими основами азартных игр. Результатом этого интереса через два года (в 1657 году) стала работа «О расчетах при игре в кости» – одна из первых публикаций, посвященная теории вероятности.
По возвращении из Франции Гюйгенс всерьез занялся проблемами более практического свойства. Дело в том, что назрел вопрос о создании достаточно точных и при этом не очень больших часов. Такие часы были необходимы мореплавателям для быстрого определения географической широты. За создание подходящих часов были назначены несколько премий. К 1657 году Гюйгенс, используя идею Галилея, создал маятниковые часы. Позже он, (а по другим сведениям – Роберт Гук), придумал использовать вместо маятника пружину.
К концу 50-х годов XVII века имя Христиана Гюйгенса было уже широко известно. Несколько лет ученый посвятил путешествиям и налаживанию связей с учеными Англии и Франции. В 1660 году Христиан вновь посетил Париж. Сам король Людовик XIV удостоил ученого аудиенции. В столице Франции Гюйгенс познакомился с Блезом Паскалем, с которым до того состоял в переписке. Из Парижа Христиан отправился в Англию, где, в частности, встретился с Робертом Бойлем.
1663 год снова был наполнен поездками. Христиан сопровождал отца в его дипломатической миссии. Затем он снова отправился в Лондон, где стал членом недавно основанного Королевского Общества.
Между тем, во Франции высокого положения достиг некий Жан Батист Кольбер. Политическая и экономическая деятельность этого человека достойна отдельной книги. Для нас же главное то, что, став в 1665 году государственным контролером финансов, Кольбер добился основания Королевской академии наук. Он очень уважал Гюйгенса и считал его одним из самых выдающихся ученых современности. Еще до основания Академии (в 1663 году) Кольбер убедил французского короля выплатить крупные единоразовые стипендии ведущим ученым. Видимо, для привлечения Гюйгенса во Францию такую стипендию вручили и ему. В 1666 году Академия была открыта. Гюйгенс переехал в Париж и стал одним из ее членов-основателей. За это ученый получил очень солидную пенсию, кроме того, ему были выделены деньги на обустройство квартиры в Париже, которая находилась не где-нибудь, а в здании королевской библиотеки. Фактически Гюйгенс стал главой Академии, он разрабатывал научные программы, определяющие основные направления ее работы. В Париже голландский ученый прожил до 1681 года.
Природа одарила Христиана Гюйгенса прекрасными способностями, но, к сожалению, обделила его запасом здоровья. Ученый часто и серьезно болел. В периоды с 1670 по 1671-й и с 1676 по 1678 годы он жил в Нидерландах, где намеревался поправить здоровье после продолжительных болезней.
В 1673 году в Париже Гюйгенс написал и издал большой труд «Маятниковые часы». Эта работа содержит массу математических и технических подробностей, ее нередко называют главным трудом Христиана Гюйгенса. В ней излагается теория математических кривых, приведены формулы, описывающие колебания математического маятника, рассмотрены закономерности движения тел относительно оси, центробежные силы.
Также ученый продолжал работать над оптическими проблемами. Результаты его исследований в этой области были изложены в «Трактате о свете», который был в основном закончен к 1678 году, но увидел свет только через 12 лет. В этой книге Гюйгенс изложил и аргументировал свои взгляды относительно природы света. Несмотря на то что Гюйгенса считают основоположником волновой теории света, его теорию скорее правильней назвать «теорией толчков». Он считал, что все пространство заполнено промежуточной материей, «эфиром», который состоит из мельчайших твердых частиц. Свет Гюйгенс рассматривал как некие толчки, передающиеся от одних частиц эфира к другим. В «Трактате о свете» также был изложен принцип, получивший впоследствии название «принцип Гюйгенса». Гюйгенс считал, что каждая частица эфира, до которой дошли «толчки» света, сама становится источником новых толчков, которые распространяются сферически. Впоследствии этот принцип был переформулирован физиком Огюстом Жаном Френелем. Он получил название принцип Гюйгенса – Френеля и стал одним из основополагающих принципов волновой оптики. В более современной формулировке он звучит так: «Каждая точка пространства, которой достигла в данный момент распространяющаяся волна, становится источником элементарных сферических волн. Результат интерференции этих волн – огибающая элементарных сферических волн, образующая волновую поверхность». В дальнейшем Ньютоном была предложена корпускулярная теория света. Противостояние этих двух точек зрения продолжалось вплоть до XX века, когда была сформулирована идея о корпускулярно-волновом дуализме.
В «Трактате о свете» с помощью теории толчков и основываясь на своем принципе, Гюйгенс объяснил целый ряд оптических явлений, в частности, отражение и преломление света. Также он смог объяснить загадку двойного преломления света в исландском шпате (расщепление луча света, падающего на кристалл исландского шпата, на два).
В 1681 году болезнь снова заставила Христиана Гюйгенса отправиться в Нидерланды. Он планировал подлечиться и вернуться в академию, но судьба распорядилась иначе. В 1683 году его покровитель Кольбер умер, а в Париже уже в который раз начались антигугенотские волнения. Протестант Гюйгенс предпочел остаться в Голландии. Он жил вместе с отцом, летом в провинции, а зимой в Гааге. В 1687 году Гюйгенс-старший умер, и остаток своей жизни Христиан прожил в одиночестве.
Несмотря на слабое здоровье, в 1689 году ученый предпринял очередную, на этот раз последнюю свою поездку. Он отправился в Лондон, где в Королевском обществе прочел лекции о своей собственной теории гравитации. Работа «О причинах тяготения» в 1690 году вышла вместе с «Трактатом о свете». В ней Гюйгенс объясняет причины тяготения, основываясь на «декартовых вихрях». Он, вслед за Декартом, предположил существование некоей «тонкой материи», частицы которой мельче, чем частицы эфира. Они циркулируют вокруг Земли и, сталкиваясь с телами, передают им импульс, направленный к Земле.
