Ball a exposé les marées dans Time and Tide: a Romance of the Moon (1889). Il a publié en 1891 La cause d’un âge glaciaire et en 1892 Un atlas d’astronomie. En 1892, il a été nommé professeur Lowndean d’astronomie et de géométrie à l’Université de Cambridge en devenant en même temps directeur de l’Observatoire de Cambridge. Il était membre du King’s College de Cambridge.
En 1900, Cambridge University Press publia A Treatise on the Theory of Screws. Cette année-là, il publie également L’histoire des cieux. Sous les feux des projecteurs, il a occupé le poste de président de la Société du Quaternion. Il a également été président de l’Association mathématique en 1900.
En 1908, il publie A Treatise on Spherical Astronomy, qui est un manuel sur l’astronomie partant de la trigonométrie sphérique et de la sphère céleste, considérant la réfraction atmosphérique et l’aberration de la lumière, et introduisant l’utilisation de base d’un instrument généralisé.
Son œuvre L’histoire des cieux est mentionnée dans le chapitre « Ithaque » d’Ulysse. Ses conférences, articles et livres (par exemple Starland et The Story of the Heavens) étaient pour la plupart populaires et de style simple.
Il est décédé à Cambridge et a été enterré à la paroisse de l’Ascension Burial Ground à Cambridge, avec son épouse Lady Francis Elizabeth Ball. Leurs enfants étaient : Frances Amelia, Robert Steele, William Valentine (plus tard monsieur), Mary Agnetta, Charles Rowan Hamilton et Randall Gresley (plus tard colonel). Souvenirs et lettres de Sir Robert Ball par son fils W.V. Ball a été publié en 1915 par Cassell & Company.
La planète mineure 4809 Robertball est nommée en son honneur.
Il a été le 38e président du Birmingham and Midland Institute, qui détient la Sir Robert Ball Library, la bibliothèque de la Society for the History of Astronomy.