V době jeho příchodu byla observatoř v Klementinu ve špatném stavu, a nevyhovovala požadavkům moderního astronomického bádání, kterou se snažil Kreil napravit. Astronomicky nevhodnou polohu observatoře se snažil vyřešit už David, který se po celou dobu svého ředitelování snažil vybudovat hvězdárnu na vhodnějším místě. Nedostatek finančních prostředků na rozvoj hvězdárny byl silnější než jeho dobrá vůle a snaha. A to bylo jedním z důvodů, proč se více věnoval meteorologii a zemskému magnetizmu, který pěstoval již v Miláně, více než astronomii. Na Kreilovo rozhodnutí měla patrně také vliv první mezinárodní meteorologická konference v roce 1838 v Göttingenu, jež ve svých důsledcích přispěla k navýšení počtu meteorologických a magnetických observatoří v různých částech světa. Kreil také v archívu hvězdárny našel bohatý meteorologický materiál využitelný k vědecké práci. A rovněž zjistil, že v Čechách funguje již po celá desetiletí síť meteorologických stanic řízená Klementinem, která podporuje meteorologický výzkum v celých Čechách.

Kreil zřídil v roce 1839 při hvězdárně novou magnetickou a meteorologickou observatoř, na níž zvýšil počet pozorovacích termínů a rozsah měření. Proto F. Augustin napsal, že Kreil jako první zavedl v Čechách všestranná pozorování meteorologických jevů. Nová observatoř se potýkala s finančními problémy a tedy i personálními a technickými. Personální otázku (v době největšího rozkvětu měla observatoř jen 6 zaměstnanců) řešil zavedením funkce dobrovolných pozorovatelů. Byli to mladí a horliví přátelé, kteří pomáhali s náročným pozorováním. V roce 1847 byl mezi nimi i V. Šafařík. K. Fritsch již zůstal na observatoři trvale.

V roce 1841 začal vydávat ročenky „Magnetische und meteorologische Beobachtungen zu Prag“. Tím opět získal dobrou pověst doposud hynoucí Pražské hvězdárně aspoň v tomto ohledu. V témže roce navrhl zřídit vhodnou meteorologickou observatoř a vydávat rakouský časopis pro zemský magnetismus a meteorologii. Ale tehdy byly v Rakousku soustavně a vytrvale potlačovány podobné snahy a návrhy. V roce 1841 byl Kreil zvolen členem korespondentem Göttingenské akademie věd. Do konce roku 1918 vyšlo celkem 78 svazků ročenek, v pozdějších letech při úpadku observatoře spíše sešitů.

Více pochopení nalezl u Královské české společnosti nauk, která byla vždy na výši doby. S její pomocí mohl v letech 1843 a 1844 provést magnetická a topografická pozorování v celých Čechách. Tato jeho původní myšlenka byla pak záhy napodobována i v jiných zemích. Sám později mohl provést stejné pozorování v celé monarchii a uveřejnit je v pěti svazcích.

Kreilovým nesplněným přáním byla soustavná hodinová měření, která se v největší míře uskutečňovala jen od května do července. Pravděpodobně proto Kreil navrhnul a zkonstruoval registrační přístroje pro měření teploty a tlaku vzduchu, jejichž hodinová měření byla publikována od roku 1844. Obrázek Kreilova termografu i jeho registrace je v práci Dr. Václava Hlaváče, Tepelné poměry hl. města Prahy, díl I, který vydal Státní úřad statistický v Praze 1937.

Kreil byl již v roce 1842 jedním z navrhovatelů, aby se používalo telegrafu pro předpovědi vichřic. Druhý byl Piddington v Indii. Třetí, Mahlmann v Berlině, navrhl používat jej pro předpovědi počasí vůbec. Trvalo to však ještě 21 let, než se uskutečnil tento návrh.

Ředitel observatoře v Klementinu Bittner zemřel v r. 1844. V dalším roce byl Kreil jmenován v pořadí šestým ředitelem hvězdárny. V roce 1845 se Karel Kreil stal na pražské univerzitě profesorem astronomie. O rok později byl za své nesporné zásluhy jmenován členem právě založené Císařské akademie věd ve Vídni. Její viceprezident A. Baumgartner (profesor fyziky na univerzitě v Olomouci a v Praze), jeden z příznivců Kreilových, navrhl v květnu 1848 využít telegrafních úřadů pro meteorologická pozorování.

Později se projednával tento návrh dále a za tím účelem byla zřízena zvláštní komise. Ta navrhla v květnu 1849 požádat ministerstvo vnitra, aby pro Vídeň byl ustanoven meteorolog a opatřeny pro něho vhodné místnosti, Akademie pak aby vybavila observatoř potřebnými přístroji. Kreil musel překonávat další obtíže, když hledal vhodnou observatoř. Spokojil se však s nenáležitými místnostmi, jen aby mohl začít organizovat síť stanic v celém Rakousku, a také protože byl zvyklý vystačit vždy s nejskromnějšími prostředky. Když se vrátil z cesty po Rakousku, kterou podnikl proto, aby s úspěchem zorganizoval síť povětrnostních stanic, byl vyznamenán rytířským křížem řádu Františka Josefa ještě v roce 1850, kdy přesídlil z Prahy do Vídně.

Císař František Josef I. přijal návrh Císařské akademie věd a nejvyšším rozhodnutím (dekretem) ze dne 23 července 1851 povolil zřídit ve Vídni Ústřední ústav pro meteorologii a zemský magnetismus (Central-Anstalt für Meteorologie und Erdmagnetismus), který by zaměstnával ředitele, adjunkta, dva asistenty a sluhu. Ředitelem se stal Karel Kreil.

Úkoly, které si Kreil při zakládání ústavu předsevzal, se však ukázaly jako obtížně splnitelné z důvodů finančních, prostorových i personálních. Počáteční počet pracovníků byl k zvládnutí úkolů příliš malý, státní dotace nestačily ani na vybudování pozorovacích sítí, ani na výstavbu vlastní budovy (v roce 1852 se podařilo získat nezbytné prostory v novém nájemním domě). Státním financím způsobilo těžkou ránu zapletení se Rakouska do války krymské (1853–1855), a nebýt podpory ze strany akademie věd, pozorování by zcela zaniklo; na určitou dobu bylo nutno zastavit vydávání ročenek.

V roce 1851 byl jmenován řádným profesorem fyziky na vídeňské univerzitě. V letech 1854 a 1858, tehdy již šedesátiletý, podnikl dvě velké cesty za účelem magnetického průzkumu v sousedních zemích.

V posledních letech života začal pracovat na klimatologii mocnářství. Klimatologii Čech téměř dokončil. Po jeho smrti, která přerušila práci na klimatologii alpských zemí, byl její rukopis předložen akademii. Spis odráží jeho pojetí klimatu, které kontrastuje s dosavadními romantickými popisy, i bohatost klimatologického materiálu, který byl k dispozici jen z českého území. Matematicko-statistickým zpracováním autor předběhl dobu a ukázal možnosti tzv. klasické klimatologie, přestože délky pozorovacích řad  byly rozdílné a materiál značně nehomogenní. Klimatologické charakteristiky byly vypočteny z 52 meteorologických stanic, přičemž pražská řada byla použita jako základní pro příslušné redukce. Jeho nástupce Jelínek (Jelineck) ji vydal ve Vídni v roce 1865. Je v ní také část věnovaná dějinám meteorologie v Čechách, posudek dřívějších měření v Klementinu a zmínka o měření organizovaném Společností vlastenecko-hospodářskou. Seydl končí ve své práci slovy: „Sluší poznamenati, že jak prvý ředitel Ústředního ústavu meteorologického ve Vídni Karel Kreil, tak i jeho nástupce K. Jelínek a místoředitel ústavu K. Fritsch se vyškolili v meteorologickém oboru na Pražské hvězdárně. I to charakterizuje, domnívám se, intensivní práci, jaká se konala tímto směrem na Pražské hvězdárně již ve starší době“.

Kreil považoval meteorologii za samostatnou vědu a pobuřovalo ho její spojení se zemědělstvím, které jeho předchůdci, profesoři Strnad a David vítali. Kreilovy ročenky byly proti starším magazínům, určeným pro široký okruh čtenářů, nudné a naznačovaly, že jejich autor neumí výsledky meteorologických pozorování spojit s praxí.

Přes výrazný přínos, který pro meteorologii měl, zůstával Kreil především geomagnetikem, neboť z jeho 25 publikovaných prací během pražského pobytu (1838–1850) je 17 věnováno zemskému magnetismu.

Karel Kreil zemřel ve Vídni dne 21. prosince 1862 ve věku 64 let. Jeho pozůstalost je uložena na vídeňské univerzitě.

V roce 1905 byl po něm pojmenován Kreilplatz ve Vídni-Döblingu (19. obvod) a 9. března 2001 planetka (6597) Kreil.