Mit einer Arbeit zur Bahnbestimmung des Halleyschen Kometen weckte er 1804 die Aufmerksamkeit von Wilhelm Olbers, der zwei Jahre zuvor den Kleinplaneten Pallas entdeckt hatte. Olbers empfahl den Zweiundzwanzigjährigen dem Lilienthaler Astronomen Hieronymus Schroeter, der ihn zum Inspektor an dessen Sternwarte vor den Toren Bremens berief.

Vier Jahre später ernannte ihn der preußische König Friedrich Wilhelm III. zum Gründungsdirektor der Sternwarte in Königsberg und zum ersten Professor für Astronomie an der dortigen Albertus-Universität.

Als Bessels größte astronomische Leistung gilt die erste erfolgreiche Messung der Entfernung eines Fixsterns. 1838 fand er, dass der Stern 61 im Sternbild Schwan rund zehn Lichtjahre von uns entfernt ist – und damit rund 630.000-mal weiter als die Sonne.

Friedrich Wilhelm Bessel hatte die winzige jährliche Pendelbewegung des Sterns vermessen, die aus der Umlaufbewegung der Erde um die Sonne folgt und von seiner Entfernung abhängt. Seine Messung war zugleich ein später Beweis für die Annahme von Kopernikus, dass sich die Erde um die Sonne bewegt.

Heute trägt ein rund 16 Kilometer großer Mondkrater im lunaren Meer der Heiterkeit seinen Namen.