En 1895 entró como voluntaria en el Observatorio de Harvard y siete años más tarde entró a formar parte de la plantilla del mismo, bajo la dirección de Charles Pickering. Durante ese tiempo tuvo la oportunidad de realizar trabajos teóricos, pero se convirtió en la jefa del Departamento Fotográfico del Observatorio, donde, junto con su grupo, estudió las imágenes de las estrellas para determinar sus magnitudes. Durante su carrera, Leavitt descubrió más de 2.400 estrellas variables. Se dedicó entonces al estudio de esas estrellas variables, lo que supondría su mayor aportación a la Astronomía: la relación entre el período y la luminosidad de las Cefeidas.