1857年进入哈佛大学天文台从事轨道计算工作。1862年，霍尔进入华盛顿的美国海军天文台，1875年开始使用天文台中新建成不久的66厘米口径折射望远镜进行工作，这台望远镜当时是世界上口径最大的折射望远镜。1877年，霍尔用它发现了火星的两颗卫星火卫一和火卫二，分别命名为“福波斯”（）和“德莫斯”（），在希腊神话中是战神的两个儿子的名字。此外，他还测定了土星的自转周期。霍尔在1879年获得了英国皇家天文学会颁发的金质奖章。为纪念他，月球表面和火卫一南极附近各有一座环形山被命名为“霍尔”。