海尔在叶凯士天文台所建的口径102米的折射望远镜已经达到了这类望远镜的顶峰，因为再加大物镜的口径时必须同时加厚物镜的厚度，于是口径增大所多收集到的星光就会被厚度变厚所多吸收的星光相抵消，因此加大物镜口径便不会再有多大作用。怎样才能研制出口径更大的望远镜以探索更遥远、更暗弱的天体呢？海尔想到了筹建巨型反射望远镜。
说到巨型反射望远镜，英国天文学家威廉·赫歇尔和罗斯伯爵三世已经起步在先，两人分别在1789年和1845年各自研制出口径122米和183米的反射望远镜，在当时堪称登峰造极。
但那时的反射望远镜其物镜都是金属镜面的，它很难磨制，只能反射20%左右的星光，又容易失泽，而且在夜晚天文观测过程中，由于金属镜面受温度变化会产生微小形变，成像质量欠佳。但是，在威廉·赫歇尔和罗斯伯爵三世的时代，那是无奈的，因为那时的反射望远镜无法采用别的材料来磨制。有人想到，折射望远镜的物镜用玻璃磨制，那么反射望远镜的物镜是否也可以用玻璃来磨制呢？玻璃比金属比重小，价格低廉，容易研磨和抛光，但是玻璃是透明的，即使其镜面形状已研磨得符合要求，抛光得又很光洁，依然无法作为反射望远镜物镜来使用。因为只有一小部分的光从镜面直接反射，大部分光穿过镜面，照到它的底面，有的光穿出底面跑掉了，另有一些光又从底面反射回来，再次穿出镜面，结果直接从镜面反射的光便同从底面反射回来的光互相干扰，星像便显得模糊不清。
转折点于1856年到来，这一年，德国化学家利比希发明了在玻璃镜面上镀上银膜的技术。此技术立即被用到反射望远镜上。镀银后的镜面光鉴照人，它可以把80%以上的入射光反射出来，比金属镜面的反射率高得多。从此反射望远镜迎来了一场革命。到了海尔时代，金属镜面的反射望远镜已经淘汰，取而代之的是镀银的玻璃镜面的反射望远镜，只是那时的这种反射望远镜口径还不太大。海尔的雄心壮志是要建造比威廉·赫歇尔和罗斯伯爵三世的巨型金属面反射望远镜口径更大、性能更好、运转更灵活的巨型反射望远镜。在这方面他一生中实现了一个卓越不凡的“三级跳”。
“三级跳”的第一跳是筹建一台口径152米（60英寸）的反射望远镜。19世纪末年，芝加哥大学所属的叶凯士天文台打算研制一台大型反射望远镜，于是海尔的父亲从巴黎买来了一块口径152米的镜坯，但后来由于该台无法筹措到足够的经费而使此计划搁浅。1903年，海尔从卡内基基金会获得筹建威尔逊山天文台的经费时，建造一台大型反射望远镜已在该台的规划之中，这就是说经费已得到了保证。于是海尔从他父亲那里买来了这块镜坯，组织人研制口径152米的反射望远镜。1904年，海尔就任了威尔逊山天文台的首任台长，这项工作又成为他的首先要抓的几件大事之一。1908年，该望远镜在该台落成，它的性能比罗斯伯爵三世那台口径183米反射望远镜优越得多，用它曝光四小时，可拍摄暗到20等的恒星，用它拍摄恒星光谱也空前地清晰。
152米反射望远镜的第一项重要天文发现是由美国天文学家WS亚当斯作出的。当时，已发现天狼星的暗伴星比天狼星约暗10个星等，即它所发出的光只有天狼星的万分之一，但通过它与天狼星在天空中的波浪式自行轨迹推算出它的质量大体上相当于太阳质量，这样一颗恒星为何如此暗弱？1915年，WS亚当斯使用这台152米反射望远镜成功地拍摄到天狼星暗伴星的光谱，发现它的表面温度达10000℃左右，几乎与天狼星的表面温度相仿，于是它暗弱无光的惟一解释就是它的体积要比天狼星小很多很多。质量与太阳相仿的恒星其体积却如此地小，其结果必然是它的密度惊人地大，这种特殊类型的恒星后来被命名为白矮星。
发现白矮星正是152米反射望远镜所作出的一项重要天文成果。
海尔的“三级跳”的第二跳是建造一架口径254米（100英寸）的反射望远镜。当口径152米的反射望远镜还在建造之时，美国洛杉矶的一位商人JD胡克就向海尔主动表示愿出巨资建造一台以他的姓氏命名的巨型反射望远镜。起初提供的捐款可以建造一台口径212米的反射望远镜，但为了确保在此后较长时间内不被别人所超过，胡克又主动增加了捐款，最后确定建造一台口径达254米的巨型反射望远镜。海尔得到这笔巨款后马上行动，订购镜坯，组织人设计和加工，1918年这台以捐款人的姓氏命名的胡克望远镜在威尔逊山天文台落成。此后30年中，它一直是望远镜之王。
许多重大天文发现是藉助于胡克望远镜作出的。该望远镜一建成，美国科学家AA迈克尔逊和FG皮斯就在1920年将他们制成的第一台恒星干涉仪安装在胡克望远镜上，同年底首次测出了红巨星参宿四（猎户座α）的角直径，此后又测得了其他几颗红巨星的角直径。
1924年，美国天文学家哈勃在威尔逊山天文台利用胡克望远镜拍摄仙女座大星云、三角座星云M33和人马座星云NGC6822的照片，利用其中发现的造父变星（一种因星体不断胀缩而产生光变的变星）测定了它们的距离，从而发现了银河系之外确实存在着别的星系，翻开了探索大宇宙的新篇章。此后，哈勃又用胡克望远镜测定许多星系的距离和视向速度，1929年发现了著名的哈勃定律。1944年，在威尔逊山天文台工
作的德国天文学家巴德用胡克望远镜拍摄仙女座大星云和它的两个伴星系的照片，并通过进一步的研究率先确立了恒星往往可以分为两个不同的星族的科学概念。概言之，胡克望远镜对20世纪天文学的发展贡献巨大，特别是在星系和宇宙学的研究方面，其贡献尤为突出。
1923年，海尔因健康欠佳而退休，结束了他就任近二十年的威尔逊山天文台台长生涯。但他在稍事休息以后，1928年又开始部署建造一台口径508米（200英寸）的反射望远镜，这也是他卓越不凡的“三级跳”中的最后一跳。由于洛杉矶市的发展已使尘埃和夜晚的亮光逐渐对威尔逊山天文台的天空产生不利影响，特别对用大望远镜拍摄遥远星系和其他暗弱天体影响更大，所以海尔决定该望远镜不能安装在威尔逊山天文台，他选定了离威尔逊山天文台150千米处的帕洛马山为新台址。他从洛克菲勒基金会争取到600万美元的巨额资助后，立即开始建造该望远镜和它所在的帕洛马山天文台。为了减小观测时温差对镜面形状的影响，他所选用的物镜镜坯是用派勒克斯玻璃制成的，而且镜坯不铸成一个实心玻璃柱，而制成正面有平滑表面、背面却是由纵横交叉肋材构成的蜂窝状结构物。这样的反射镜磨制成后，镜面任何一点与背面空隙处的距离都小于5厘米，于是外界温度的变化将迅速传遍整块物镜，这对减少物镜的形变很有好处。1934年，按照这样的设计思想制成的物镜毛坯在美国纽约州科宁市的科宁玻璃厂制成，经过10个月的缓慢冷却，才用火车沿专门选择的路线运到筹建中的帕洛马山天文台。然后开始了磨制工程，用了31吨磨料磨去镜面中心部分的45吨玻璃，整个镜面任何地方不得有百万分之一厘米的偏差，最后成型的反射物镜重145吨。整台望远镜的机械配件研制得十分精密，可转动部分共重530吨，但运转十分灵巧。由于1931年真空镀铝技术问世，此后不久被用到反射望远镜上，所以这台望远镜的镜面不再是镀银的而是镀铝的，它比银面能保持更长时间不失泽，而且在较宽波段范围内反射本领都比较高。它能拍摄到暗至23等的天体，这样的天体其亮度只有肉眼可见最暗天体的六百万分之一，通过长时间的曝光甚至可以拍摄到远达十亿光年的星系的光谱。
1938年2月21日，海尔在美国加里福尼亚州帕萨迪纳市去世。由于第二次世界大战的影响，508米反射望远镜在他去世十年之后才在帕洛马山天文台落成。但人们并没有忘记他的巨大功绩，该望远镜被命名为海尔望远镜。1969年12月，美国将威尔逊山天文台和帕洛马山天文台两台合并，为了纪念海尔的功绩，合并后的天文台被命名为海尔天文台。
科学事业的杰出组织者
海尔一生中共发表论文和各类文章400余篇，并著有《一座高山天文台十年的工作》（1915年出版）、《新天空》（1922年出版）、《宇宙的深度》（1924年出版）、《银河系之外》（1926年出版）、《1917～1924年太阳黑子磁场观测》（与SB尼科尔逊合著，1938年出版）等多部著作。但更突出的是，他是一位科学事业的杰出组织者。前文论及他游说富商捐款建造大望远镜便是这方面的重要体现。除此以外，他在这方面的贡献还很多。
海尔任威尔逊山天文台台长近20年。建台初期，他带领同事们伐木、筑路、建房、搬运和安装仪器，筚路篮缕，艰辛备尝。天文台初步建成后，他一方面致力于不断改善天文台的装备，建造大的太阳塔和巨型反射望远镜；一方面又注意人才建设，他聘请有才华的青年学者来台工作，并注意吸引各国著名学者前来进行客座研究。这些措施使威尔逊山天文台人才济济，逐渐成为当时世界上最有声望的天文台之一。
1906年，海尔受聘为思鲁普工学院的理事。该学院原先学术水平较低，海尔与著名物理学家密立根等人合作，将该校改组为加利福尼亚理工学院。他们为该校制定了严谨求实的办学方针，注意活跃学术空气，提高学术研究水平和教学质量，逐渐使该校成为美国学术水平最高的高等学府之一。
1899年，海尔任美国天文学和天体物理学会（美国天文学会的前身）副会长，1902年当选为美国国家科学院院士。他十分热心于学术团体的组织建设工作。在他的筹备和组织下，国际太阳研究联合会于1905年正式成立。后来，该联合会与国际天图组织、国际测时与纬度联合会等学术机构合并，组建成著名的国际天文学联合会。1916年，海尔任美国国家研究理事会首任主席，在他的倡议和组织下，1919年成立了国际研究理事会（国际科学联合会理事会的前身），1932年海尔任该会主席。
海尔还致力于学术刊物的建设。1891年，他与佩恩共同创办《天文学与天体物理学》杂志；1895年，他又与基勒共同创办了《天体物理学杂志》。这两个刊物目前都已成为国际著名的天文学刊物。
综观海尔的一生，可以看出他与许多著名天文学家有一个明显的不同，他不仅在自身研究领域（太阳物理学）成果卓著，而且又是科学事业的杰出组织者。他深信科学事业要靠一大批人携手合作才能更快发展。他为科学事业所做的组织工作、所进行的社会活动，如游说富商为建造大望远镜捐款、筹备和组建国际学术机构、创办国际性天文刊物等，后来都结出了丰硕的成果。他的这些工作影响十分深远，有力地推动了二十世纪天文学的发展。