Rømer observeerde de eclipsen van Io, een maan van Jupiter, en ontdekte dat als Jupiter ver van de aarde afstond de voorspelling wanneer de verduistering zou optreden steeds "te laat" was. Als de afstand tot Jupiter na een half jaar kleiner was geworden, klopten de voorspellingen weer. Volgens Rømer kwam dit doordat het licht een langere afstand moest afleggen en een eindige snelheid had. Het tijdsverschil werd door hem bepaald op 11 minuten per astronomische eenheid (plm. 150 miljoen kilometer).
In 1676 bepaalde hij op grond hiervan als eerste de lichtsnelheid en kwam uit op ongeveer 225.000 km/s.
Rømer ontwikkelde in 1701 een temperatuurschaal gebaseerd op twee vaste meetpunten: kokend water en smeltend pekel. Het idee van twee vaste punten werd later door Fahrenheit en Celsius gebruikt om hun temperatuurschalen te ontwikkelen.
Rømer vervulde verder diverse functies waaronder ingenieur en rechter in het hoger gerechtshof. In 1705 werd hij burgemeester van Kopenhagen.
In 1700 kon hij de Deense regering ervan overtuigen om de gregoriaanse kalender te introduceren, iets wat Tycho Brahe ruim een eeuw daarvoor tevergeefs had geprobeerd.
