Nato a Londra, dal 1673 studiò a Oxford rivelando interesse per la matematica e l'astronomia. A vent'anni si recò a Sant'Elena per eseguire il rilievo delle costellazioni australi. Tornato in patria pubblicò il Catalogus Stellarum Australium (Londra, 1678) e fu eletto membro della Royal Society. In seguito viaggiò in Germania, Francia e Italia con incarichi diplomatici, incontrando così le maggiori personalità scientifiche dell'epoca. Determinò la distanza del Sole grazie al transito del 1677 di Mercurio sul suo disco. Sostenne e stimolò l'attività scientifica di Isaac Newton (1642-1727), del quale curò e finanziò la pubblicazione dei Principia (Londra, 1686). Fu nominato professore di geometria a Oxford nel 1704. A questi anni risale il suo interesse per l'archeologia, la storia della matematica e la storia dell'astronomia; tradusse e pubblicò numerosi testi antichi greci. La fama di Halley è legata alla scoperta della periodicità di alcune comete. In A Synopsis of the Astronomy of Comets (Londra, 1705) egli notò che fra le apparizioni delle comete studiate da Peter Bienewitz (Apianus; 1501-1552) nel 1531, da Johann Kepler (1571-1630) nel 1607 e da Halley stesso nel 1682 intercorrevano sempre 76 anni. Concluse che le diverse osservazioni riguardavano passaggi successivi della stessa cometa - oggi nota come "cometa di Halley" - della quale prospettò un nuovo ritorno per il 1758. Pubblicò nel 1718 una memoria in cui dimostrava che le stelle "fisse" erano in realtà dotate di moti propri misurabili. Nel 1720 successe a John Flamsteed (1646-1719) nella carica di Astronomo Reale e da allora in poi svolse la propria attività all'Osservatorio di Greenwich. Nel 1729 fu nominato membro straniero dell'Académie Royale des Sciences. Dopo aver dedicato molti anni allo studio della Luna, nel 1731 Halley perfezionò il metodo di misura delle longitudini terrestri basato sulle "distanze lunari". Egli suggerì tuttavia di finanziare il progetto di John Harrison (1693-1776) relativo alla costruzione di un cronometro nautico in grado di dare migliori risultati.