I 1651 og 1654 publiserte han sine første verker, disse handlet om matematiske problemer. Etterhvert gikk hans interesse mer til astronomi og sannsynlighetsregning. Sammen med raadspensionaris Johan de Witt spiller Huygens en viktig rolle innen forsikringsmatematikken. Best kjent er Huygens for sine teorier rundt lys, han mente at det var bygget opp av bølger, mens Isaac Newton mente at lys var bygget opp av partikler (se: Bølge-partikkel dualiteten). I 1655 oppdaget han månen Titan, Saturns største måne, og han var den første som beskrev oppbygningen av Saturns ringer. Han undersøkte også kjeglesnitt og gjorde forberedende arbeider i retning av differensial- og integralregning.