Il imagina en 1859 le concept de « corps noir », corps capable d'absorber intégralement les radiations qu'il reçoit. Il inventa le spectroscope, qu'il utilisa, avec Bunsen, pour montrer que chaque élément chimique possède un spectre caractéristique, fondant ainsi l'analyse spectrale, grâce à laquelle il découvrit le césium et le rubidium (1861). En optique, il développa la théorie ondulatoire de Fresnel et, en électricité, énonça des lois applicables aux courants dérivés.
