انتقل البتاني إلى بغداد في شبابه ليستزيد من علمائها في مجال الفلك، كما برع في الرياضيات، وعكف البتَّاني على استيعاب النظريات والكتب القديمة والحديثة في علم الفلك، وباشر ما جاء فيها من أرصاد بنفسه؛ حيث عمل برصد الكواكب من سنة 264هـ إلى 306هـ، ودرس السند هند والمجسطي، ويقول في بطلميوس "إنه تَقَصَّى علم الفلك من وجوهه، وإنه يجوز أن يَستدرك عليه في أرصاده على طول الزمان، كما استدرك هو على أبرخس وغيره من نظرائه؛ لجلالة الصناعة ولأنها سمائية لا تدرَك إلا بالتقريب". ومن أشهر أعماله كتاب "الزيج الصابئ" والزيج هو عبارة عن معلومات مركزة ومجدولة، وهذا الزيج بمثابة عمليات حسابية وقوانين عددية وجداول فلكية بها ما يخص كل كوكب، ويمكن بها معرفة الشهور والأيام والتواريخ الماضية، وبها أصول مقررة لمعرفة "الأوج" وهو أبعد نقط الكواكب عن الأرض، و"الحضيض" وهو أقربها من الأرض، وهو أول زيج ضم معلومات دقيقة كان لها أثرها الكبير في تقدم علم الفلك خلال العصور الوسطى عند العرب وأوائل عصر النهضة في أوروبا، وكان يتكون من سبعة وخمسين بابًا، وفي عام 1899م طبع الزيج الصابئ بروما بعد أن حققه كارلو نالينو عن النسخة المحفوظة بمكتبة الإسكوريال بإسبانيا. وللبتاني كذلك أرصاد كثيرة أجراها في الرقة وأنطاكية بسوريا، فقد رصد زاوية الميل الأعظم بمدينة الرقة، وقاس موضع أوج الشمس في مسارها الظاهري، وأثبت احتمال حدوث الكسوف الحلقي للشمس، وحقق مواقع عدد كبير من النجوم، وتحدث عن مسارات الكواكب، وقارن بين التقاويم العربية والرومية والفارسية والقبطية، كما تحدث عن منازل القمر ومطالع النجوم، فضلًا عن وصفه الآلات الفلكية التي استعملها وكيفية صناعتها. كذلك عرف البتاني قانون تناسب الجيوب، واستعمل معادلات المثلثات الكرية الأساسية، كما استعمل الجيوب بدلًا من أوتار مضاعفات الأقواس الذي كان مستعملًا وقتئذ، وأدخل اصطلاح جيب التمام، كما استعمل الخطوط المماسة للأقواس، واستعان بها في حساب الأرباع الشمسية وأطلق عليها اسم "الظل الممدود" الذي يعرف باسم خط المماس، كما تمكن البتاني من إيجاد الحل الرياضي السليم لكثير من المسائل التي حلها اليونانيون هندسيًّا من قبل، مثل تعيين قيم الزوايا بطرق جبرية. كان يرى أن من شروط التقدم والتبحر في هذا العلم الإخلاص في العمل والمثابرة والإتقان، وكان يقول "لأن الحركات السماوية لا يحاط بها معرفة مستقصاة حقيقية إلا بتمادي العصور والتدقيق في الرصد"، ويتحدث صاعد الأندلسي عن عبقرية البتاني بقوله "لا يُعلم أحد من الإسلام بلغ مبلغه في تصحيح أرصاد الكواكب وامتحان حركتها" وقال عنه الفلكي المشهور ساراطون "إن البتَّاني أعظم فلكيِّي جِنسه وقومِه ومن أعظم علماء الإسلام". وقال عنه المستشرق نلينو "إن له رصودًا جليلة للكسوف والخسوف، اعتمد عليها دنتورن سنة 1749م في تحديد تسارع القمر في حركته خلال قرن من الزمان". وقال لالند الفلكي الفرنسي "البتَّاني أحد الفلكيين العشرين الأئمة الذين ظهروا في العالم كله"، وقد تُرجمت أعمال البتاني إلى اللاتينية في القرن الثاني عشر الميلادي، ثم ترجمت بعد ذلك إلى لغات أجنبية أخرى، وظلت تلك الأعمال معتمدًا عليها في أوربا قرونًا من الزمان.