Con una escasa formación académica, ya que a la muerte de su padre tuvo que trabajar como carpintero para ayudar a su madre, sus ansias de conocimiento y de estudiar el cielo le llevaron a prepararse por su propia cuenta.
En 1857 entró a trabajar como ayudante del astrónomo William Cranch Bond en el Observatorio de Harvard (Harvard College Observatory): el sueldo que tenía era de doce dólares al mes.
En 1856 contrajo matrimonio con Angeline Stickney (1830-1892), quien siempre le apoyó en su trabajo.
Uno de los mayores cráteres de Fobos se llama Hall en su honor; Stickney, bautizado así en honor de su esposa, es el mayor y más profundo del satélite.
continuaría la tradición familiar haciéndose astrónomo y efectuando numerosos trabajos astronómicos; publicó gran cantidad de artículos y estudios celestes.