兰利虽然从未进过大学，但他是一位靠顽强自学成名的学者，有足够的能力从事天文学、航空学工作，1865年他当上哈佛大学天文学助教，最后在几个学院取得了这门学科的教授职位。1881年他发明了测辐射热计，这种仪器用于精密测定微量的热（达十万分之一度的温差），由一根涂黑的白金丝受热所产生的电流的大小来度量。为了纪念他，就把每平方厘米1卡的辐射单位叫做1兰利。

兰利到加利福尼亚州惠特尼山考察期间，用这种仪器仔细测定了光谱可见区和红外区的太阳辐射强度。在这过程中，他第一次把太阳光谱的知识扩展到远红外区。 1887年他被任命为史密森协会秘书。

他有一段伤心的经历：研制飞机几乎没有搞成（如同菲搞成汽船，特里维雪克没搞成火车头一样）。兰利仔细制订了空气动力学原理，说明鸟类怎样轻驾双翼而滑翔，以及空气怎样会支承特殊形状的薄翼。（可是，对他的理论提出异议的人正是开尔文；在这件事情上是开尔文错了。）他所提出的生力计算公式到今天仍然被采用。兰利的理论虽然是可行的，但是在实际操作中由于他所用材料的结构强度或者发动机的缺陷，致使他的飞机未能飞成。

1896年他制造了一个带动力的飞机模型。该模型飞到了150米的高度，飞行留空时间达到了近3个小时。这是历史上第一次重于空气的动力飞行器实现了稳定持续的飞行，在世界航空史上具有重大的意义。兰利受到威廉·麦金莱总统的鼓励，并取得政府资助的五万美元（重于空气的飞行应用到军事上的可能性，因美国 u2013 西班牙战争而激起了政府的兴趣），于1897至1903年间进行了三次试验，但仍无所获。

1903年10月7日，为美国陆军和海军研制的一种能用于战争的载人飞机“空中旅行者”进行首次飞行实验，这架飞机采用了前后串置的机翼布局，以内燃机为动力，采用弹射方式起飞。但当弹射装置将飞机弹出时，飞机却一个倒栽葱掉在了河里。飞行员死里逃生。

经过修复后再次试飞的“空中旅行者”又发生了机尾折断，飞机垂直落入水中的事件。两次试飞失败引起舆论一片哗然和嘲笑，纽约时报发表一篇苛刻的社论，抨击兰利的愚蠢，据他们认为，兰利把公众的资金白白丢进了无稽的梦想之中。他们预言，花它一千年，人也飞不起来。那篇社论发表九天之后，这个一千年突然完了；原来，奥维尔·赖特和威尔伯·赖特沿着利林塔尔的脚印，第一次乘飞机飞行成功。

1908年史密森协会设立兰利奖章，颁发给在航空学上有成就的人，第一次奖品即授予赖特兄弟。1914年兰利的最后一架飞机安装了功率更大的发动机，飞行成功了；那时兰利死去已有八年。为了纪念他，弗吉尼亚州的兰利场，以及国家航空和航天局的兰利研究中心，都是以他的姓氏命名的。