En 1736, Clairaut fit partie de l'expédition en Laponie dirigée par Maupertuis, pour la mesure d'un degré du méridien terrestre (Voyage en Laponie). Les résultats de ses études particulières dans ce pays sont exposés dans son Ouvrage Figure de la Terre tirée des lois de l'Hydrostatique (1740). Dans ce livre, qui est un chef-d'oeuvre de précision, il parvient à trouver la forme de la Terre et une valeur numérique de son aplatissement, en supposant que notre globe tourne autour de son axe et que ses particules sont soumises à la loi de l'attraction universelle.

Vers le milieu de 1747, Clairaut présenta à l'Académie des Sciences un Mémoire sur le problème des trois corps, où le mouvement de la Lune autour de la Terre est étudié, en tenant compte de l'attraction du Soleil. Parmi les résultats qu'il obtint, citons l'explication de l'évection.

En novembre 1747, Clairaut lut à l'Académie des Sciences un Mémoire sur la Théorie de la Lune dans lequel il déclare que la loi de l'attraction universelle est insuffisante, car elle l'a conduit à trouver, pour le mouvement de l'apogée de la Lune, une vitesse qui n'est que la moitié de celle que donnent les observations. Mais de Buffon s'étant montré contraire à l'idée d'abandonner la théorie de Newton sans avoir fait des recherches plus approfondies, Clairaut calcula plus de termes de la série relative au mouvement de la Lune et trouva un résultat convenable. En avouant publiquement son erreur, celui-ci mit fin à la joie que les adversaires de Newton s'étaient trop vite empressés de manifester. Ce Mémoire, augmenté de Tables de la Lune, fut couronné en 1792 par l'Académie de Saint-Pétersbourg (fondée en 1724 par Pierre-le-Grand). En 1765, Clairaut en publia une édition plus complète sous le rapport théorique.

En appliquant les méthodes qu'il avait employées pour la théorie de la Lune, il a écrit en 1757 un Mémoire sur l'orbite apparente du Soleil, en tenant compte des perturbations produites par la Lune et par les principales planètes.

Clairaut commença à la fin de 1757 les longs calculs relatifs à la comète de 1682, dont Halley avait prédit le retour de 1758 a 1759; il tint compte, comme celui-ci, de l'attraction de Jupiter, et en outre de celle de Saturne. Grâce à l'aide de plusieurs calculateurs, il fut en mesure d'annoncer, dans la séance de l'Académie des Sciences du 14 novembre 1758, que la comète Halley paraîtrait au commencement de janvier 1759 et passerait à son périhélie vers le 13 avril de la même année. Comme ces deux prédictions furent en conformité parfaite avec les époques où se produisirent les phénomènes annoncés, Clairaut fut grandement loué et admiré dans toute l'Europe.

De 1759 à 1761, une polémique au sujet de la théorie du mouvement des comètes s'engagea entre Clairaut et D'Alembert dans le Journal des Savants : le public se rangea du côté du premier et les géomètres furent sur plusieurs points d'accord avec le second.

Clairaut eut d'illustres disciples, entre autres Mme Du Châtelet et Bailly. (Lebon, 1899).