Первые его труды были опубликованы в 1840—1841 годах в отчётах Парижской акад. наук: “Image photographique sur metal fixee par un procédé qui n’altère ni la pureté, ni la viguere du dessin” (“C. R.”, X, 488) и “Emploi du brome dans la photographie sur plaques metalliques” (“C. R.”, XII, 1189). В этих заметках он первый указал приёмы, посредством которых можно было получать блестящее прочное дагерротипное изображение даже при сравнительно короткой экспозиции. Во время работы по дагерротипии Физо подружился с Фуко. Воодушевляемые идеями Араго и лично поощряемые им в своих работах, они вскоре произвели совместно ряд замечательных оптических работ. В течение 3 лет (1844—1847) они исследуют сравнительное химическое действие на дагерротипную пластинку различных частей солнечного спектра и спектра вольтовой дуги и изобретают способ, как при помощи призмы обнаруживать интерференцию при большой разности хода лучей и применяют этот способ к исследованию хроматической поляризации в толстых кристаллических пластинках (полосы Физо и Фуко). Также, посредством спиртового термометра с чувствительностью 1/400°, они доказывают, что тепловые интерференционные максимумы и минимумы совпадают со световыми, и, наконец, они дают впервые кривую распределения тепловой энергии в призматическом солнечном спектре, обнаружив своим термометром в инфракрасной части несколько Фраунгоферовых линий (холодных).
После 1847 года Физо работает самостоятельно. В 1848 г. Физо в статье “Des effets du mouvement sur le ton des vibrations sonores et sur la longueur d’ondes des rayons de lumiere” (“Bull. de la Societé philomatique”, 1848; перепечатано в “Ann. de Ch. et de ph.”, 1870) доказывал на простом акустическом опыте реальность принципа Доплера, и, проводя аналогию между тонами и цветами, Физо первый указал на смещение линий в спектрах небесных светил, если существует относительное перемещение (по направлению луча зрения) светового источника и наблюдателя. Примерный расчёт такого смещения Физо сделал уже в 1848 г. для Венеры. Только 20 лет спустя, с развитием спектрального анализа, благодаря Гиггинсу (1868), Секки, Фогелю, Килеру и Белопольскому, метод Физо нашёл широкое применение в астрофизике.
В настоящее время принцип Доплера называют принципом Доплера-Физо. В 1849 г. Физо предложил новый способ определения скорости света с помощью быстро вращающегося зубчатого колеса (“С. R.”, XXIX), описанного во всех учебниках физики. В 1850 г. Физо вместе с Гуннелем (Gounelle), опубликовали свои опыты над скоростью распространения электричества в телеграфных проводах (“С. R.”, XXX). В 1851 г. произвёл знаменитый свой опыт над влиянием на скорость света скорости движения материальной среды (воды). В 1853 г. Физо обратил внимание на значение конденсатора, введённого в первичную цепь Румкорфовой спирали. В 1862 г. (в “Ann. de Ch. et de Ph.”, LXVI) Физо начал свои классические опыты над коэффициентами расширения твёрдых тел по методу интерференционных полос. Эти исследования имеют огромное значение для метрологических работ.
Большинство своих опытов Физо производил на личные средства. Физо состоял членом института (1860), Бюро долгот (1878) и Королевского лондонского общества (1875). За оптические исследования Физо был премирован в 1866 г. большой Румфордовской медалью. В 1864 г. Физо был приглашён экзаменатором в Политехническую школу, но в 1867 г. оставил школу, желая видеть на своём месте любимого своего ученика, А. Корню (en:Marie Alfred Cornu).