Ole Rømer arbejdede fra 1672-1681 ved det kongelige observatorium i Paris. Her etablerede han bl.a. fontænerne i Versailles, men hans største berømmelse fik han, da han bestemt lysets tøven. Ved at observere omløbstiden for Jupiters måne, Io, fandt han ud af, at det tog lyset 22 minutter at bevæge sig en strækning svarende til jordbanens diameter. Dette svarer til en hastighed på 227000 km/sek. Den korrekte hastighed er 300000 km/sek, men resultatet var imponerende set ud fra de instrumenter, som Ole Rømer havde til rådighed.
Tilbage i Danmark arbejdede han med en nøjagtig positionsbestemmesle for Tyco Brahes observatorium på Hven og han fremstillede instrumenter til observatoriet i Rundetårn. Disse gik dog tabt ved Københavns første brand i 1728. I 1704 byggede han et nyt observatoriet, Tusculum i Vridsløsemagle, som man stadigvæk kan se resterne af. Det var ikke bare astronomi, som havde hans interesse. Han arbejdede med konstruktion af en temperaturskala, baseret på vands frysepunkt og kogepunkt, og han arbejdede med den optimale konstruktion af tandhjul baseret på cykloider. Ole Rømer indførte standardiserede måleenheder, og han igangsatte et projekt med opmåling af de danske veje og endelig blev han også politidirektør og borgmester i København.
Ole Rømer er begravet i Vor Frue Kirke. Graven findes ikke længere, men på stedet er der opsat en mindeplade i væggen.
