其他世界
关键问题：行星系统是在哪里以及如何形成和演变的？
由于快速发展的系外行星研究领域--太阳系以外的行星--韦伯将能对一些关键问题做出贡献，比如地球是独一无二的吗？跟我们相似的其他行星系统是否存在？我们在宇宙中是孤独的吗？
韦伯将详细研究各种各样的系外行星的大气层。它将搜索跟地球相似的大气层以及关键物质的特征如甲烷、水、氧气、二氧化碳和复杂的有机分子，并希望能找到生命的组成部分。通过这种方式，韦伯将补充欧空局的大气遥感红外系外行星大型调查(Ariel)，后者将研究系外行星是由什么构成的、它们如何形成以及它们如何演变。
在离家更近的地方，韦伯还将研究我们自己太阳系中的系外行星。许多系外行星跟海王星和天王星相似，因此研究我们自己太阳系附近的行星可以为更好地理解一般的行星形成提供新的见解。
恒星的生命周期
关键问题：恒星是如何和在哪里形成的？是什么决定了它们形成的数量和它们各自的质量？恒星是如何死亡的，它们的死亡又对周围的介质有何影响？
恒星将宇宙中的简单元素转化为较重的元素并通过超新星的爆炸将它们传播到整个宇宙。在光谱的红外部分进行观测，韦伯将能透过新生恒星周围的尘埃包层。它极高的灵敏度也将使天文学家能直接研究微弱的原恒星核心--恒星诞生的最早阶段。
韦伯将研究褐矮星，即质量介于行星和恒星之间的暗淡天体，其本身的质量不足以启动热核反应并成为成熟的恒星。韦伯将确定尘埃和气体云如何及为什么会坍缩成恒星或成为气体巨行星或褐矮星。
韦伯还将看到最大质量的恒星作为超新星爆炸，并留下更多的尘埃和气体云，以及丰富宇宙的珍贵重金属，以形成新一代的恒星。
早期宇宙
关键问题：早期宇宙是什么样子的？第一批恒星和星系是什么时候出现的？
在人类历史上，我们第一次有机会直接观察第一批恒星和星系的形成。韦伯的红外线视野使它成为一台强大的时间机器，它将回望135亿年，这超越了哈勃“深场”的极限。据悉，哈勃“深场”向我们展示的是年轻的星系，当时它们只有几亿年的历史且很小、很紧凑、不规则。韦伯的红外敏感度不仅可以追溯到更远的年代，而且还将揭示出关于早期宇宙中的恒星和星系的更多信息。哈勃看的是“幼儿期”的星系，而韦伯将看到“婴儿期”的星系。
韦伯的数据还将回答一个引人注目的问题：黑洞在早期是如何形成和发展的以及它们对早期宇宙的形成和演变有什么影响。
随时间推移的星系
关键问题：第一个星系是如何随时间演变的？我们能从暗物质和暗能量中了解到什么？
今天的宇宙中充满了星系--由数千亿颗恒星组成的宇宙岛屿。它们的大小和形状大不相同，并掌握着它们如何形成和演变的线索。在最初的几十亿年里，宇宙是非常活跃的，星系经历了合并事件或被撕裂并夹杂着短命大质量恒星的超新星爆炸。在红外波长下运行，韦伯可以观察到这些原始星系的大部分光线并揭示出它们被尘埃笼罩的恒星诞生和吸收物质的黑洞。
韦伯还将揭示暗物质即充满宇宙但不直接可见的物质。通过这种方式，韦伯将补充欧空局的Euclid任务，该任务将绘制宇宙的几何图形并专门用于研究暗能量（宇宙加速膨胀背后的力量）和暗物质。