Dort konnte er seine Forschungsthemen nahezu frei wählen. Zudem standen ihm fast unbegrenzte finanzielle Mittel zur Verfügung, um exzellente Geräte zu konstruieren. Mit seinen Messinstrumenten untersuchte er die Spektren von Planeten und Sternen, fotografierte die Sonne, erforschte deren Materieausbrüche und versuchte, die Bewegung der Sterne zu messen. Nach vier Jahren in Bothkamp wechselte Hermann Carl Vogel 1874 an das gerade gegründete Astrophysikalische Observatorium Potsdam, für dessen instrumentelle Ausstattung er sorgen sollte. Einige Jahre später wurde er Direktor und machte vor allem die Spektroskopie zum Hauptforschungsgebiet.

Ihm gelangen die bis dahin genauesten Messungen, wie schnell sich Sterne durch das All bewegen. Außerdem zeigte er, dass manche in ihrer Helligkeit veränderlichen Sterne in Wirklichkeit Sternpaare sind, die umeinander kreisen. Während vielerorts noch sehr klassisch vor allem nach Kleinplaneten gesucht wurde, begründete Hermann Carl Vogel in Potsdam die moderne Astrophysik. Um auch lichtschwache Sterne untersuchen zu können, sorgte der Forscher für den Bau des Großen Refraktors. Das riesige Linsenfernrohr hat achtzig Zentimeter Objektivdurchmesser. Hermann Carl Vogel ist 1907 im Alter von 66 Jahren verstorben.