Schwarzschild wirkte von 1901 bis 1909 als Professor für Astronomie an der Universität Göttingen und als Direktor der dortigen Sternwarte. Seit 1909 war er Direktor des Astrophysikalischen Observatoriums in Potsdam. Er untersuchte Fragen der photographischen Photometrie der Gestirne, arbeitete über geometrische Optik, über Probleme der Bewegungen der Fixsterne und ihrer Verteilung, über die Theorie der Sternatmosphäre sowie Stellarstatistik und konstruierte ein nach ihm benanntes Spiegelteleskop. Daneben beschäftigte Schwarzschild sich auch mit Fragen der Atomtheorie. Er gab als erster eine Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie.