A principios del siglo XX, Leavitt realizó una investigación que condujo a dos de los descubrimientos más sorprendentes e importantes en la historia de la Astrofísica.
Cuando Leavitt se encontraba trabajando en el Observatorio del Harvard College, junto al grupo de mujeres que se daba a conocer como “las Computadoras de Harvard”, justamente por su labor mecánico y repetitivo como era examinar meticulosamente placas fotográficas o hacer cálculos, descubrió un cierto patrón en el comportamiento de un tipo de estrellas variables llamadas Cefeidas (parte de la constelación de Cefeo).
En 1912, luego de confirmar sus observaciones, publicó un trabajo original titulado “Periodos de 25 estrellas variables en la pequeña Nube de Magallanes”, donde explicaba que esas estrellas palpitaban con un ritmo regular y tenían una mayor luminosidad intrínseca cuanto más largo era su periodo, lo cual parecía suceder de una forma bastante predecible. El estudio inicial contó de 3 páginas y estuvo firmado por el astrónomo Edward Pickering, en ese entonces su superior.
Si bien Pickering informaba que el trabajo por él firmado había sido preparado por Leavitt, ella ha tenido que entregar el mérito de su trabajo a sus supervisores porque las mujeres de la época, y sobre todo en el campo de la ciencia, solían ser desacreditadas.
Un año después se calculó la distancia a algunas Cefeidas conocidas por otros métodos (como el del paralaje anual) y así se pudieron determinar, de forma realmente ingeniosa, muchas más distancias relativas y absolutas entre unas y otras estrellas gracias a los patrones descubiertos por Leavitt.
Todo este trabajo produjo un gran avance científico, otorgando la posibilidad de medir de forma bastante precisa la distancia entre diversas estrellas lejanas. De hecho, en 1918 se calculó el tamaño de la Vía Láctea empleando estos nuevos métodos.
Gracias a los patrones formulados por Levitt, años más tarde, los astrónomos que en ese entonces supervisaron su trabajo como fue Edwin Hubble, quien combinó las ideas Leavitt con descubrimientos hechos por otros astrónomos, como los del corrimiento al rojo, para revelar en 1923 que una mancha borrosa observable en la constelación de Andrómeda era una enorme galaxia compuesta por millones de estrellas y con un diámetro de 150.000 años luz, y el objeto más lejano observable a simple vista (está a 2,5 millones de años luz de la Tierra). Un año después Hubble pudo afirmar que el universo estaba formado no solo por nuestra galaxia, la Vía Láctea, sino por muchas otras galaxias lejanas.
Con un enorme legado, aunque su nombre no figuraba entre las grandes firmas que avalaban los avances científicos más importantes de la época gracias a las observaciones de ella, a los 53 años falleció de un cáncer terminal en la ciudad de Cambridge.