Sau khi cha mất, Robert chuyển lên Thành phố London để học nghề với Sir Peter Lely, một họa sĩ hàng đầu về vẽ chân dung. Mặc dù Robert có tài nhưng cây cọ và các chất liệu vẽ cũng như cách làm việc không thích hợp với sức khỏe yếu đuối của cậu. Robert Hooke đành thôi nghề hội họa, quay sang học một nghề khác.

Khi qua đời, cha của Robert Hooke để lại cho con 100 bảng Anh. Vào thời bấy giờ, đây là một số tiền rất lớn. Nhờ món tiền này, Robert theo học trường Westminster cho đến 18 tuổi rồi sau đó vào trường đại học Oxford. Trong thời gian này, Robert làm nhiều công việc để kiếm thêm tiền đồng thời vẫn là một sinh viên xuất sắc.

Khi theo Ðại học Oxford, Robert Hooke gặp Christopher Wren và Robert Boyle. Boyle hơn Hooke 8 tuổi và là một nhà khoa học xuất sắc giàu có. Boyle đã mướn Hooke làm người phụ tá trong phòng thí nghiệm. Nhiều người tin rằng các công trình nghiên cứu của Boyle, kể cả các định luật về chất khí, đều do khả năng tinh thần và tài khéo léo của Robert Hooke. Khi chiếc bơm chân không ra đời trong phòng thí nghiệm của Boyle và được mọi người biết đến gọi là chiếc máy của Boyle, thì chính Robert Boyle đã tuyên bố công khai về công lao của Hooke trong việc phát minh chiếc bơm này.

Còn về Christopher Wren, nhà khoa học nổi danh về Hình học vào năm 1660, là Giáo sư Thiên văn của Trường Ðại học Oxford. Năm 1663, Wren theo nghề kiến trúc và trở nên nổi tiếng do vẽ kiểu nhà thờ Saint Paul của Thành phố London. Tại nhà riêng của Wren, các nhà khoa học Anh đã tụ họp lại thành Trường Vô hình và sau đó phát triển thành Viện Khoa học Hoàng gia (The Royal Society).

Vào năm 1662, Robert Hooke được bổ nhiệm làm Trưởng ban Khảo sát (curator of experiments) của Viện Khoa học Hoàng gia, nhiệm vụ chính là thực hành lại các thí nghiệm cho các hội viên khác, nhờ vậy ông đã quen thuộc với các ngành khoa học thịnh hành vào thời bấy giờ. Robert Hooke được bầu làm hội viên của Viện Hoàng gia vào năm 1663 và được bổ nhiệm làm Giáo sư Hình học (Gresham Professor) của Ðại học Oxford vào năm 1665.

Khi Viện Hoàng gia nhận được các bức thư của Anton Van Leeuwenhoek mô tả những điều tìm thấy trong thế giới cực nhỏ, Viện đã hỏi mượn chiếc kính hiển vi của nhà phát minh người Hà Lan nhưng bị khước từ. Robert Hooke được Viện giao phó cho việc kiểm chứng các khám phá của Van Leeuwenhoek, ông liền chế tạo một kính hiển vi kép rất hữu dụng rồi sau đó còn thực hiện hơn 60 công trình khảo sát bằng kính hiển vi, khám phá ra tế bào thực vật. Hooke vẽ một cách rất tỉ mỉ những gì ông đã quan sát thấy, chẳng hạn như cách cấu tạo của lông chim, mắt ruồi, con rận, con bọ chét. Những bức vẽ giá trị này được ông phổ biến qua tác phẩm Micrographia xuất bản vào năm 1664. Như vậy, Robert Hooke là người đã phổ biến cách chế tạo và cách dùng kính hiển vi, trong khi Van Leeuwenhoek được gọi là cha đẻ của thứ kính đó.

Vào năm 1666, Thành phố London đã xảy ra một trận hỏa hoạn lớn. 80% thành phố bị thiêu rụi. Công việc thiết kế lại thành phố được giao cho Christopher Wren và Wren đã thuê Robert Hooke làm phụ tá. Chính Robert Hooke đã vẽ nhiều đồ án gồm những công sự xây cất vuông góc, với các đường phố thẳng góc với nhau. Thành phố được thiết kế rất hoàn hảo, nhưng một số dự án bị bác bỏ do sự phản đối của chủ nhân các tòa nhà còn lại. Cũng vì thế Thành phố London ngày nay vẫn còn nhiều đường phố chật hẹp.

Robert Hooke là một nhà chế tạo dụng cụ khéo léo. Ông đã mang kiến thức về quang học của mình áp dụng vào việc đo lường thiên văn. Hooke cũng đã vẽ nhiều dụng cụ đo đạc hàng hải gồm dụng cụ đo bằng âm thanh, dụng cụ đo nước biển ở các chiều sâu khác nhau. Hooke còn cho ấn hành các tập san khí tượng dưới quyền bảo trợ của Viện Hoàng gia. Ông cũng xác định sự ảnh hưởng tới thời tiết do cách xoay tròn của địa cầu và do sự bức xạ của mặt trời.

5 năm trước khi Isaac Newton phổ biến tác phẩm “Nguyên lý” trong đó có nói về lực vạn vật hấp dẫn, Robert Hooke đã trình bày một bài về lực hấp dẫn trong vũ trụ. Tới khi tác phẩm của Newton ra đời, Hooke cho rằng Newton đã dùng kiến thức của mình. Vì vậy, giữa hai nhà khoa học này đã xảy ra xích mích. Thực tế, Newton đã lập công thức cho lý thuyết của ông 10 năm trước khi tác phẩm “Nguyên lý” được xuất bản.

Vào năm 1676, Robert Hooke phổ biến định luật đàn hồi theo đó độ dãn của lò xo tỉ lệ với sức kéo. Nguyên tắc này được áp dụng vào việc phát minh ra lò xo xoắn. Cách phân tích lò xo giúp ông phát minh ra đồng hồ. Vào thời bấy giờ, nhiều người đã dùng đồng hồ quả lắc nhưng phải đặt tại một nơi cố định. Nếu mang lên tàu biển, đồng hồ sẽ chỉ sai giờ và sẽ chạy chậm lại nếu tới gần đường xích đạo do trọng lực giảm. Robert Hooke đã thay thế quả lắc bằng một bánh xe chao và dùng một lò xo cân bằng (balance spring) dao động theo nhịp độ đều đều chung quanh tâm. Lần này, Hooke đã thành công trong cách cải tiến đồng hồ nhưng một phát minh tương tự đã được Christian Huygens công bố vào năm 1675, vì vậy lại xảy ra xích mích, nhưng sau đó giới khoa học đều đồng ý rằng Hooke đã khám phá ra trước và bằng phát minh của Huygens vẫn có giá trị.

Tại Viện Khoa học Hoàng gia, Robert Hooke đã giữ chức tổng thư ký cho tới năm 1682, rồi khi không còn đảm nhiệm chức vụ này, ông vẫn gửi các bài khảo cứu tới Viện. Robert Hooke không lập gia đình. Ông chỉ có một người cháu gái sinh sống với ông để chăm sóc công việc nội trợ. Hai năm sau khi ông qua đời vào năm 1703, các tập sách ghi chú của ông được xuất bản với 400 000 chữ, chứng tỏ kiến thức của ông rất uyên bác về nhiều phương diện khoa học.