Свою первую обсерваторию Гевелий построил в 1641 году на средства, унаследованные от отца. Телескопы-рефракторы того времени имели серьёзный недостаток — хроматическую аберрацию. Чтобы избавиться от неё, Гевелий строил телескопы огромных размеров, самый большой из них имел 45 метров в длину. Это был «воздушный телескоп» без трубы и без жёсткой связи объектива и окуляра. Телескоп подвешивался на столбе при помощи системы канатов и блоков. Для управления такими телескопами использовались специальные команды из отставных матросов, знакомых с обслуживанием такелажа.
Первым научным трудом Гевелия была «Селенография, или описание Луны», изданная в 1647 году в Гданьске. В ней содержалось детальное описание видимой поверхности Луны. Работа, отпечатанная в собственной типографии автора, содержала 133 гравюры, изображавшие 60 участков лунной поверхности и общий вид Луны в различных фазах. Гевелий предложил названия для объектов на поверхности Луны, отчасти сохранённые до нашего времени, правильно оценил высоту лунных гор, открыл явление оптической либрации.
Гевелию принадлежат астрономические открытия в разных областях. Он занимался вопросами лунного движения, измерял расстояние от Земли до Луны, период обращения Луны, период собственного вращения Солнца, периоды обращения спутников Юпитера. Занимался наблюдениями двойных и переменных звёзд. С помощью своего секстанта составил каталог 1564 звёзд с точностью до 1?. К оптическим инструментам для астрометрии в то время относились с недоверием, полагая, что оптика может внести погрешности в измерения.
Гевелий открыл четыре кометы и опубликовал в 1668 году трактат «Кометография», где изложил историю наблюдений всех известных в то время комет; показал, что некоторые кометы движутся по параболическим орбитам.
В 1679 году обсерватория Гевелия с рукописями и библиотекой сгорела. Тем не менее, Гевелий возобновил наблюдения. В 1690 году, уже после смерти мужа, его жена Элизабет издала знаменитый звёздный атлас «Уранография», основанный на каталоге Гевелия и содержавший великолепные изображения созвездий. В нём Гевелий ввёл несколько новых созвездий.
Наконец, Гевелий познакомил европейцев с «Гурганским зиджем», составленным в обсерватории Улугбека.
Астрономия была любительским занятием Гевелия, а жил он на средства от пивоварения. Пиво «Ян Гевелий, пивовар и астроном» до сих пор пользуется в Польше популярностью.