Hansen var først interessert i astronomi, og han studerte blant annet Venus og dens atmosfære. Et sentralt spørsmål var årsaken til planetens høye overflatetemperatur, og Hansen knytta dette til begreper som drivhuseffekt og klimagasser. Sammen med andre forskere studerte han tykkelse og sammensetning av skylaget rundt Venus, et arbeid som blei godt hjulpet av at romsonden Pioneer Venus nådde planeten i 1978.