Después de efectuar numerosas observaciones, aprender técnicas astronómicas y mejorar sus conocimientos, en 1863 fue nombrado director del Observatorio Naval de Washington (USNO), donde descubrió los dos satélites de Marte en agosto de 1877, Deimos y Fobos, con el gran refractor de 66 cm de dicho observatorio, obra del óptico estadounidense Alvan Clark.