הויגנס היה דמות מוכרת במה שכונה "האקדמיה של מונמור", חוג פורה של הוגים ומדענים. במחלוקת שהביאה להפסקת פעילות הסלון תמך בסיעה "הפורשת" שראתה ההבטחה שבתכנון וביצוע ניסויים על פני דיונים תאורטיים מוגבלים בשל היעדר הגבולות שבהם ובהיעדר נקודת משען לבד מטיעון הקוגיטו. במהלך 1663 בביקורו השלישי בפריז עם תום פעילות הסלון, ניצל הויגנס ההזדמנות כדי לצדד בפעולה מבית מדרשו האמפריציסטי של פרנסיס בייקון כעתיד למדע. ב-1666 היגר לפריז וזכה למשרה באקדמיה הצרפתית למדעים שרק נוסדה בחסות לואי ה-14.
בפריז הויגנס מצא לו פטרון ומכותב, ז'אן בטיסט קולבר. יחסיו עם חברי האקדמיה האחרים לא היו טובים, וב-1670, בעודו חולה מאוד, הוא פנה לפרנסיס וורנון כאחראי למימוש צוואתו, ובה מסירת חזקה על מאמריו לַחברה המלכותית עם מותו. אולם, זמן קצר לאחר מכן, פרצה מלחמת הולנד–צרפת, וככל הנראה בשל תמיכתה של אנגליה בצרפת, הופסקו קשרי החברה המלכותית עמו, כנראה לפי החלטתו של נשיאה רוברט הוק.
דניס פפין, לימים ממציא מנוע הקיטור היה עוזרו של הויגנס ב-1671. באחד הניסויים שלהם, אשר לא הניב פירות באופן ישיר, עמד פיתוחו של מנוע בעירה פנימית המתודלק באבק שרפה. ב-1678 עבר פפין לאנגליה והמשיך את מחקרו בתחום.
במצפה הכוכבים בפריז, שבנייתו הושלמה ב-1672, המשיך הויגנס לערך תצפיות אסטרונומיות. ב-1678 הציג הויגנס את עוזרו החדש בפני ניקולא מלבראנש, ג'ובאני קאסיני ומדענים והוגים נוספים, המתמטיקאי והפיזיקאי בן ארצו, ניקולאס הרטסוקר, והציגו מיקרוסקופ פרי פיתוחו של הרטסוקר. לימים נתגלעו היחסים בין השנים כאשר למורת רוחו של הרטסוקר, במאמרים שפרסם בסמוך הויגנס השמיט את שמו.
זה היה בפריז, גם, שהויגנס פגש את הדיפלומט הצעיר גוטפריד לייבניץ, ב-1672. באותה שנה לייבניץ עמל על בניית מכונת החישוב שלו, ועבר להתגורר בלונדון בתחילת 1673 יחד עם דיפלומטים ממיינץ. במרץ 1673, עם שובו של לייבניץ לפריז, החל ללמוד מתמטיקה בהוראת הויגנס. התכתבות ענפה התפתחה בין השניים, ובה בין היתר הויגנס גילה חוסר רצון לקבל את יתרונות השיטות בחשבון אינפיניטסימלי שפיתח לייבניץ, שהן למעשה הכללות של שיטות גאומטריות, דוגמת התרבוע, שפותחו עוד על ידי ארכימדס ושוכללו במאה ה-17 בין היתר על ידי הויגנס עצמו.
אחרית ימיו.
ב-1681 שב הויגנס להאג עם שקיעתו בדיכאון חמור. ב-1684 פרסם את חיבורו על המצאתו שלו ושל אחיו "טלסקופ נטול שפופרת". ככל הנראה ברוח הפיתוח היו גם רעיונותיו של ניקולאס הרטסוקר, עוזרו לשעבר של הויגנס.
ב-12 ביוני 1689, במהלך ביקורו השלישי באנגליה, פגש את אייזק ניוטון. הם שוחחו על פצלת איסלנדית, והמשיכו בהתכתבות על כוח גרר.
במכתב מ-1693 לפיליפ דה לה איר תיאר הויגנס מופע טבעי של התופעה האקוסטית הידועה כיום בשם פלאנג'ינג.
הוא נפטר בהאג ב-8 ביולי 1695, ונקבר בגרוטה קרק. את עיזבונו הרוחני הוריש לאוניברסיטת ליידן.
הויגנס מעולם לא נישא, לא ידוע על קשרים שקיים עם נשים.
עבודתו כמדען.
הויגנס מוערך כפילוסוף של הטבע המוביל באירופה בתקופה שבין דקארט לניוטון, 1650 עד בערך 1672. הוא מיקד את פועלו במה שהוגדר כחללים שהפילוסופיה המכניסטית טרם הצליחה להסביר, ובאופן ספציפי חיפש הסבר לפעולת כח הכבידה שלא כלל את מושג הפעולה מרחוק, לשיטתו של הויגנס הסבר משמעו ניסוי.
חוקי התנועה, התנגשויות והכבידה.
הגישה המקובלת של ה"פילוסופים המכניסטים" (למעשה אבות הפיזיקה) הייתה להגות תאוריות המתבססות על מושג ה-"פעולה דרך מגע". הויגנס אימץ גישה זאת, לא מבלי לראות את הקשיים המושגיים שהיא מעוררת ואת נקודות התורפה שלה. לעומתו, לייבניץ, שהיה תלמידו בתקופת שהותו בפריז, נטש גישה זו. הנחת מוצא זו של "פעולה דרך מגע" הפכה את "תאוריית ההתנגשויות" למרכזית בפיזיקה כמו גם את הפילוסופיה האטומיסטית. לתפיסתו של הויגנס על הדרישות מהפילוסופיה המכנית להיות קפדניות ככל תחום פילוספי אחר. חומר בתנועה יצר את היקום, ולכן רק הסברים במונחים מסוג זה, כלומר חומר ותנועה, יהיו ברי הבנה. כמרבית ההוגים והמדענים הושפע מהגישה הקרטזית, אך לא היה מחסידיה האדוקים, דוגמת שפינוזה. הוא חקר התנגשויות אלסטיות בשנות ה-50 של המאה ה-17 אך השהה את פרסום התוצאות אליהן הגיע משך יותר מעשור.
כמו חוקרים אחרים, הסיק הויגנס שחוקי דקארט לתיאור התנגשויות אלסטיות של שני גופים שגויים, וניסח חוקים מתוקנים, נכונים הנדסית. צעד חשוב לקראת ניסוח החוקים שלו היה קבלת תוקפו של עקרון היחסות של גלילאו בתיאור התנגשויות. במהלך שנים הפיץ את ממצאיו באופן אישי לאישים דוגמת כריסטופר רן, ויליאם ברונקר, אך גם בשל מלחמות הולנד-אנגליה, קשריו עם החברה המלכותית נקטעו לפרקים, ומהתכתבות מזכיר החברה המלכותית, הנרי אולדנבורג ושפינוזה מתבהר כמה מעט היה ידוע על התקדמות הויגנס בתחום. לבסוף נתקבעו ממצאיו סופית עם ההוצאה לאור של הפרינקיפיה מאת ניוטון ב-1684, ממצאים אליהם הגיע ניוטון באופן עצמאי.
בספרו "מדע המכניקה" מציין מאך כי הויגנס ניסח בעבודותיו את החוק השני של ניוטון ואף נוסח מסובך ופחות כללי לחוק התנועה השלישי. ב-1659 כימת את הכוח הצנטריפטלי (מכפלה של נגזרת ההעתק), הפועל על גוף הנע בתנועה מעגלית. בסימון מודרני, הנוסחה של הויגנס היא:
כאשר m הוא מסת העצם, v המהירות ו-r הרדיוס. הויגנס חקר את טבעו של הכוח הצנטריפוגלי, והדגים את קווי הדמיון בין כוח זה לכוח הכבידה (ראו גם עקרון השקילות).
הגישה של הויגנס החמיצה מספר מושגים מרכזיים בפיזיקה מתמטית, אך הוליכה להתקדמויות משמעותיות רבות בידי אחרים. עבודתו על מטוטלות הייתה המתקדמת מסוגה לתיאור תנועה הרמונית פשוטה, אך הנושא תואר בשלמותו מאוחר יותר בפרינקיפיה מאת ניוטון. ב-1678 לייבניץ ניסח על בסיס עבודתו של הויגנס על התנגשויות את הרעיון של חוק שימור, שהויגנס הותיר בלתי מפורש, והגה את רעיון "כוח החי" שבמהרה היה למקובל בחישובים הנדסיים אף שלא היה חלק מהמכניקה הניוטונית הפורמלית שנוסחה על יסוד חוק שימור התנע ולא מכירה במושג האנרגיה ובשימורה המתגלם בניסוח "כוח החי".
סטטיקה והידרוסטטיקה.
הויגנס תרם תרומה משמעותית בפיתוח כלים אנליטיים חדשים וביישום פיזיקלי של כלים אלו, לעיתים קרובות תוך יישום מוקדם של שיטות שכיום הן חלק מהחשבון האינפיניטסימלי (בעיקר בהשפעת פרמה) ושבימיו היו בגדר חידושים גאומטריים וראשית מיסודן של שיטות אלגבריות. בעשותו כן, הוא תרם לענפי המכניקה המתהווים של הסטטיקה וההידרוסטטיקה. הוא היה בין הפותרים של סדרת בעיות
מתמטיות-פיזיקליות שהוצגו כאתגר עבור המתמטיקאים באירופה של שלהי המאה ה-17 (בעיות שחלקן הוצגו על ידי גלילאו גליליי בעבודותיו המכוננות של הפיזיקה), כדוגמת בעיית קו השרשרת - המבקשת למצוא את משוואת העקום המתאר כבל התלוי בין שני עמודים.
כפי שצוין בפרק על המכניקה של הויגנס, תפיסתו של הויגנס המכניקה כולה הייתה למעשה תפיסה סטטית מצומצמת, הוא שלל מכל וכל עקרון פעולה מרחוק.
כשניגש לבעיית קו השרשרת, ולבעיות בסטטיקה ובהידרוסטטיקה בכלל, הויגנס הניח כאקסיומה שמערכת מכנית נמצאת בשיווי משקל אם מרכז הכובד שלה הוא במיקום הנמוך ביותר האפשרי תחת האילוצים של הבעיה. זוהי דוגמה לניסוח סוגיה פיזיקלית כבעיית קיצון מתמטית (ראו גם משפט פרמה). בגישה זו נקט גם בחיבורו המרכזי על הידרוסטטיקה, "על הגופים הצפים", שכתב בגיל 21 ולא טרח לפרסמו, וזאת כדי לגזור את חוק ארכימדס על ציפה. חיבורו זה על הידרוסטטיקה דומה מאוד באופיו לעל גופים צפים של ארכימדס ומשחזר חלק מהתוצאות שלו. החיבור מעיד על הבנה מעמיקה של הויגנס את ממצאיו של ארכימדס ואת היישום הכמותי (מרובה בדוגמאות לחישוב מרכז כובד), ומתעד ניסויים בציפה ואיזון שערך בעצמו, תוצאות מקוריות והרחבה של עבודתו של ארכימדס. אף על פי שבכתיבת חיבור זה הויגנס הפך למדען הראשון שהתקדם מעבר למחקריו ההידרוסטטיים של ארכימדס, הויגנס עצמו לא העריך את החיבור כבעל חשיבות או תועלת רבה.
אופטיקה.
אופטיקה גאומטרית; טכניקות אופטיות.
בשנת 1653 העלה על הכתב את ידיעותיו וניסיונו באופטיקה גאומטרית, ב"דיון על החזרה וטלסקופיה". בכתב יד זה, שפורסם רק לאחר מותו ב-1703 כינס את ידיעותיו על חוק השבירה, על מציאת מוקדי העדשה ומקדמי השבירה שלה, על מבנה העין, על תאוריית ההגדלה של עדשות, ועל בניית טלסקופים. אף על פי שעיקר המאמר הוא שיחזור תוצאותיהם של קודמיו וחוקרים בני זמנו, בעיקר של תוצאותיו של קפלר ב"דַיוֹפְטְריס" שראה אור ב-1611 והיה חלק מספרי הלימוד של שטאמפיון (מורו של הויגנס), התייחדה עבודתו של הויגנס בדיוק על פני קירובים בלבד שהציעו קודמיו. באמצעים חישוביים תכנן ובנה את הרכיב האופטי המוכר כיום כעינית הויגנס, שהייתה לעינית הראשונה שהורכבה משתי עדשות. הוא החל לחקור את האברציה הכדורית ב-1665, וגזר עבור עדשות עם מפתח ואורך מוקד מסוימים את הצורה אשר תביא לעיוות כדורי מינימלי בעבור שטף קרניים מקבילות. הוא חקר גם את הקשר בין ההגדלה, הבהירות והרזולוציה (חדות) בעבור טלסקופים באורך נתון.
הויגנס רכש מיומנות טכנית גבוהה יחד עם אחיו ביצור ובפרט בליטוש עדשות כדוריות. העדשות שייצרו החל משנת 1655 היו מאיכות מעולה, כך שהטלסקופים תוצרת האחים הויגנס היו הטובים ביותר בזמנם. ב-1685 הויגנס סיכם את הידע הטכני שלו בנוגע לייצור עדשות בחיבורו "אודות ייצור וליטוש עדשות טלסקופ". בחיבורו "תצפית שמימית מוקטנת" הוא תיאר סוג חדש של טלסקופ חסר צינור, הנקרא "טלסקופ אווירי" שהמצאתו לעיתים מיוחסת גם לאדריאן אוֹזוּט.
התאוריה הגלית של האור.