Frühes Leben
Herschels Vater war ein Militärmusiker. Dem gleichen Beruf folgend, spielte der Junge in der Kapelle der Hannoverschen Garde. Nach der Besetzung Hannovers durch die Franzosen im Jahr 1757 floh er nach England, wo er zunächst seinen Lebensunterhalt mit dem Kopieren von Musik verdiente. Aber er verbesserte seine Position stetig, indem er Musiklehrer, Interpret und Komponist wurde, bis er 1766 zum Organisten einer mondänen Kapelle in Bath, dem bekannten Kurort, ernannt wurde. Zu diesem Zeitpunkt führte ihn die intellektuelle Neugier, die er von seinem Vater übernommen hatte, von der Praxis zur Musiktheorie, die er in Robert Smiths Harmonics studierte. Von diesem Buch aus wandte er sich Smiths A Compleat System of Opticks zu, das ihn in die Techniken des Teleskopbaus einführte und seinen Appetit auf die Beobachtung des Nachthimmels weckte.
Durch seine Hartnäckigkeit und grenzenlose Energie begnügte sich William nicht damit, die nahe gelegene Sonne, den Mond und die Planeten zu beobachten, wie es fast alle Astronomen seiner Zeit taten, sondern er war entschlossen, auch die weit entfernten Himmelskörper zu studieren, und er erkannte, dass er Teleskope mit großen Spiegeln brauchen würde, um genügend Licht zu sammeln – größer, als Optiker zu vernünftigen Kosten liefern konnten. Bald war er gezwungen, seine eigenen Spiegel zu schleifen. Sie wurden aus Metallscheiben aus Kupfer, Zinn und Antimon in verschiedenen Verhältnissen geschliffen. 1781 überstieg sein Ehrgeiz die Kapazitäten der örtlichen Gießereien, und so bereitete er sich darauf vor, im Keller seines eigenen Hauses geschmolzenes Metall in Scheiben zu gießen, aber der erste Spiegel zerbrach beim Abkühlen, und beim zweiten Versuch lief das Metall auf die Steinplatten, woraufhin selbst er eine vorläufige Niederlage hinnehmen musste. Bei seinen späteren und erfolgreicheren Versuchen stellte er immer größere Spiegel von hervorragender Qualität her, und seine Teleskope erwiesen sich sogar denen des Observatoriums von Greenwich als weit überlegen. Er stellte auch seine eigenen Okulare her, das stärkste mit einer 6.450-fachen Vergrößerung.
In Bath wurde er bei seinen Forschungen von seinem Bruder Alexander unterstützt, der aus Hannover gekommen war, und von seiner Schwester Caroline, die während eines Großteils seiner Karriere seine treue Assistentin war. Die Nachricht von diesem außergewöhnlichen Haushalt begann sich in wissenschaftlichen Kreisen zu verbreiten. Er machte zwei erste teleskopische Vermessungen des Himmels. Dann, 1781, während seiner dritten und vollständigsten Vermessung des Nachthimmels, stieß William auf ein Objekt, von dem er erkannte, dass es kein gewöhnlicher Stern war.
Es stellte sich heraus, dass es sich um den Planeten Uranus handelte, den ersten Planeten, der seit prähistorischen Zeiten entdeckt worden war. William wurde fast über Nacht berühmt. Sein Freund Dr. William Watson Jr. stellte ihn der Royal Society of London vor, die ihm für die Entdeckung des Uranus die Copley-Medaille verlieh und ihn zum Fellow wählte. Watson verhalf ihm auch dazu, 1782 eine jährliche Rente von 200 Pfund von George III. zu erhalten. So konnte er die Musik aufgeben und sich ausschließlich der Astronomie widmen. Zu dieser Zeit wurde William zum Astronomen von Georg III. ernannt, und die Herschels zogen nach Datchet in der Nähe von Schloss Windsor.
Obwohl er bereits 43 Jahre alt war, als er Berufsastronom wurde, arbeitete William Nacht für Nacht an der Entwicklung einer „Naturgeschichte“ des Himmels. Ein grundlegendes Problem, für das Herschels große Teleskope ideal geeignet waren, betraf die Natur von Nebeln, die als leuchtende Flecken am Himmel erscheinen. Einige Astronomen waren der Meinung, dass es sich dabei lediglich um Ansammlungen unzähliger Sterne handelte, deren Licht sich zu einem milchigen Erscheinungsbild vermischt. Andere waren der Meinung, dass einige Nebel aus einer leuchtenden Flüssigkeit bestehen. Als Williams Interesse an Nebeln im Winter 1781-82 erwachte, stellte er schnell fest, dass sein leistungsstärkstes Teleskop mehrere Nebel, die für weniger gut ausgerüstete Beobachter „milchig“ erschienen, in Sterne auflösen konnte. Er war davon überzeugt, dass andere Nebel mit leistungsfähigeren Instrumenten schließlich in einzelne Sterne aufgelöst werden würden. Dies ermutigte ihn 1784 und 1785 zu der Behauptung, dass alle Nebel aus Sternen bestehen und dass es nicht nötig sei, die Existenz einer geheimnisvollen leuchtenden Flüssigkeit zu postulieren, um die beobachteten Fakten zu erklären. Nebel, die noch nicht aufgelöst werden konnten, müssen seiner Meinung nach sehr weit entfernte Systeme sein, und da sie dem Beobachter groß erscheinen, muss ihre wahre Größe tatsächlich gewaltig sein – möglicherweise sogar größer als das Sternensystem, zu dem die Sonne gehört. Diese Überlegungen veranlassten William dazu, die Existenz von Sternen zu postulieren, die später als „Inseluniversen“ bezeichnet wurden.