Az üstökösök pályameghatározására 1779-ben új módszert dolgozott ki, két évvel később, amikor orvosi gyakorlatot kezdett Brémában, háza felső emeletét csillagászati obszervatóriummá alakította. Ettől kezdve éjszakái nagy részét csillagászati megfigyeléseknek szentelte.
A Mars és a Jupiter között feltételezett bolygó kutatása közben fölfedezte a Pallas kisbolygót (1802), és meggyőződésévé vált, hogy a kisbolygók egy közepes méretű és egykor a kisbolygóövezetben keringő, de szétesett bolygó apróbb darabjai.
Olbers 1811-ben alkotta azt az elméletét, miszerint
az üstökösök csóvái a Nap sugárnyomásának
hatására mindig a Nappal ellentétes irányba
mutatnak. (A XX. században laboratóriumi kísérletekkel
sikerült kimutatni a fény sugárnyomásának
hatását.) Négy év múlva fölfedezte
a később róla elnevezett üstököst.
1832-ben a Biela üstökös megfigyeléseiből
arra következtetett, hogy a Föld át fog haladni a csóváján.
Ez az előrejelzés igen nagy riadalmat váltott ki Európában,
az áthaladás idején azonban semmiféle káros
hatást nem sikerült kimutatni. Nevéhez fűződik
az ún. Olbers-paradoxon megfogalmazása is.