Nach mehr als 10jähriger Tätigkeit als Lehrer der Mathematik und Professor für Physik wurde Pickering 1876 mit der Leitung des Harvard Observatoriums in Cambridge betraut. Dank eines außerordentlichen Organisationstalentes hat er diesem Institut eine führende Stellung auf den Gebieten der astronomischen Photometrie und Spektroskopie erworben. 

Durch Einrichtung einer Beobachtungsstation auf der Südhalbkugel in Arequipa hat er die ständige photographische Überwachung des Himmels zum Zwecke der Auffindung neuer oder veränderlicher Objekte auf den ganzen Himmel ausdehnen können. Das Plattenarchiv des Harvard Observatoriums ist von unschätzbarem Wert für das Studium aller zeitlichen Veränderungen am Himmel. 

Die "Revised Harvard Photometry" und der "Henry Draper Catalogue of Stellar Spectra" zählen zu den Fundamenten der Astrophysik und haben wesentlich zu den Vorstellungen über Bau und Entwicklung des Milchstraßensystems um die Jahrhundertwende beigetragen.