1923年發表《周髀北極璿璣考》，他以精密的論證推算出周代北極星的正確位置，引起學術界的高度重視。1925年5月1日，高子平用16釐米天文望遠鏡，為中國開創了現代太陽黑子的觀測與研究，並創製出直接測出黑子面積的專用尺板，還創造出確定黑子日面經緯度的簡易方法，填補了中國以現代方法觀測研究太陽黑子的空白。這對現在的工作仍然有積極影響。
1926年，中國應邀參加了第一屆萬國經度聯測，高平子代表中國參加第一屆萬國經度測量會議，是第一位中國天文學家。高平子任測量主任，所承擔的任務得以圓滿完成，得到各國的讚譽，這成為一次有意義的世界性工作，為中國取得了第一批近代經度值，自此，中國天文界開始了同行間的國際合作。在這項工作中，高平子做出了自己的貢獻。 1928年，高平子受聘擔任中央研究院天文研究所研究員，測定了位於南京的天文研究所、廬山、河南登封測景臺等地的經緯度。
次年在所中開始開展測黑子、光斑等日面活動，是中國太陽分光觀測工作的奠基人。他協助餘青松籌建紫金山天文臺並主管太陽分光觀測，對中國天文學會創辦《宇宙》雜誌，也頗費心思，擔任了總編輯，做了很多工作。1931年4月辭去青島觀象臺磁力科科長職務，6月受聘為青島觀象臺名譽顧問。1935年代表中國參加在巴黎舉行的第五屆國際天文學聯合會大會，並促使大會接受中國為正式會員。1936年，通過對中國天文曆法的潛心研究，出版了《史日長編》。他還曾主持中國《天文年曆》及《國民歷》的編算工作。
1937年與董作賓等調查河南周公測景臺，並測定經緯度，對古代的圭表測影做了系統考證，發表《圭表測景論》，極受海內外學術界的重視。 1948年，高平子遷居臺灣，先後在在臺灣氣象廳，臺北中央研究院數學研究所，中正理工學院等處從事研究與教學，主要從事中國古代天文曆法的整理研究工作，發表天文和曆法研究方面的論文上百篇，其中大部分後來被收進60年代後期出版的《學歷散論》和《平子著述餘稿》兩書中。在臺灣，他是德高望重的學術帶頭人，協助創設臺北園山天文臺，發起成立臺灣天文學會，並任理事長多年。
高平子著述很多，發表學術論文百餘篇，著有《天官書今注》、《太陽圖說》、《漢歷五星步法的整理》、《學歷散論》、《史日長編》、《牛頓傳》、《伽利略傳》等。主持了《國民歷》的編制工作，對中國天文學史的研究也為人們推崇。