建立并协助进行根据从观测得到的恆星光谱中所知氢含量将恆星进行分类的系统。在该系统中她将氢最多的恆星分为 A 型，次多的为 B 型，以此类推。后来安妮·坎农以她的成果为基础，并以恆星表面温度为基准发展了更简单的分类系统。威廉敏娜对恆星分类的成果后来在HD星表中出版，她以9年时间分类了超过1万颗恆星。威廉敏娜还发现了59个星云、超过310颗变星、10颗新星。其中她发现的222颗变星收录在她于1907年出版的书籍之中。1888年，威廉敏娜在哈佛大学天文台的B2312号照相板影像上发现了马头星云。她在发现报