В 1665 году Роберт Гук с помощью усовершенствованного им микроскопа рассмотрел срезы пробки и обнаружил множество разделённых перегородками крошечных ячеек, напомнивших ему соты в пчелиных ульях, и эти ячейки были названы клетками (англ. сell – «клетка, сота»).В своей работе «Микрография» (Micrographia, 1665) он описал клетки бузины, укропа, моркови, привел изображения весьма мелких объектов, таких как глаз мухи, комара и его личинки, детально описал клеточное строение пробки, крыла пчелы, плесени, мха. Книга оказала значительное влияние на популяризацию микроскопии, в основном из-за своих впечатляющих иллюстраций.

Первое научное исследование упругого растяжения и сжатия тела провёл Роберт Гук. Закон Гука гласит: Сила упругости, возникающая при упругой деформации растяжения или сжатия тела, пропорциональна абсолютному значению изменения длины тела. Закон Гука выполняется только при малых деформациях. При больших деформациях изменение длины перестаёт быть прямо пропорциональным приложенной силе, а слишком большие деформации разрушают тело.

Роберт Гук был разносторонним учёным и изобретателем.
Он изобрёл спиральную пружину для регулирования хода часов В 1659 году он построил воздушный насос. В 1666 г. Гук изобрёл спиртовой уровень. Также изобретатель сделал немало усовершенствований в конструкции телескопов диоптрических и катоптрических. В 1684 г. Гук изобрёл первую в мире систему оптического телеграфа-устройства для передачи информации на дальние расстояния при помощи световых сигналов. В 1666 Гук представил Королевскому обществу модель изобретённых им винтовых зубчатых колёс, описанных им впоследствии в «Lectiones Cutlerianae» (1674). Эти винтовые колёса известны теперь под именем Вайтовых колёс. Он предложил прототип тепловых машин. Для метеорологических наблюдений Гук изобрёл термометр-минима, усовершенствованный ртутный барометр со стрелочным указателем, гигрометр, анемометр, регистрирующий дождемер.

Как архитектор Роберт Гук участвовал в восстановлении Лондона после пожара 1666 года, был главным помощником Кристофера Рена-английского архитектора и математика при восстановлении Лондона после пожара 1666 года. В сотрудничестве с Реном и самостоятельно построил в качестве архитектора несколько зданий (например, Гринвичскую обсерваторию, церковь Вилленского прихода в Милтон-Кинсе). Гук внёс вклад и в градостроительство, предложив новую схему планировки улиц при восстановлении Лондона. По проекту Гука был построен ансамбль психиатрического госпиталя «Бедлам» в Лондоне..