Первую свою работу по дифракции света Френель передал парижской академии в 1815 г.; в следующие 2 года он дал ряд дополнений к ней и 29 июля 1818 г. представил академии сводку всех своих исследований по дифракции в виде работы "Memoire sur la difiraction de la lumiere". Отчет об этой работе поручен был Арого и Пуансо; из них первый с восторгом приветствовал исследование молодого ученого, и, под влиянием Арого, работа Френеля награждена была в 1819 г. премией академии.
Ученый мир находился в то время под влиянием работ Био, который с большим остроумием давал объяснение явлений дифракции, исходя из представлений Ньютоновой теории истечения. Тем более поразила всех работа Френеля, который воспользовался почти забытой теорией волнообразного распространения световых колебаний в эфире. Объяснение явления дифракции с точки зрения волнообразной теории дано было еще Юнгом (1804 г.), но последний ошибочно предполагал, что дифракция является следствием интерференции лучей непосредственно прошедших и лучей отраженных от края препятствия. Френель же, воспользовавшись принципом Гюйгенса, ввел в рассмотрение волны, исходящие из всякой точки отверстия, и явление дифракции объяснил совокупным действием всех этих волн на эфирные частицы. Расчет этого совокупного действия представлял значительные математические трудности, который Френель блестяще преодолел. Теория Френеля была столь совершенна, что даже противник его Био, всеми силами стремившийся поддержать теорию истечения, должен был признать, что Френелю удалось "в своих формулах теперь и навсегда установить взаимозависимость этих явлений" (дифракции).
Применение Юнгова принципа интерференции дало затем Френель возможность объяснить старое противоречие между прямолинейным распространением света и принципом Гюйгенса. Упомянутые выше работы Френеля не подорвали еще значения теории истечения; последняя могла почти столь же стройно объяснить дифракцию, но она не сумела вовлечь в свою систему явления поляризации, который Френель в своих последующих работах блестяще истолковал с точки зрения эфирной теории. В то время открыты были Арого явления хроматической поляризации и с 1816 по 1819 г. Френель один и совместно с Арого исследует эти явления, рассматривая их как интерференцию поляризованного света. Основной результата Френеля, что лучи, поляризованные в перпендикулярных плоскостях, не могут интерферировать привел его к в высшей степени важному выводу - к предположению о поперечности световых колебаний. Это предположение было очень смело и на него обрушились Лаплас, Пуассон и другие, которые не могли допустить возможность поперечных колебаний в однородной среде, обладающий свойствами жидкости.
Между тем это предположение оказывалось до того плодотворным при объяснении всех явлений поляризации, что Френель не отказался от него, но в ряде работ ("Considerations mecaniques sur la polarisation de la lumiere" и "Memoire sur la double refraction", оба в 1821 г.) старается возможно внимательно и точно обосновать его. В мемуаре о двойном лучепреломлении Френель, объясняет явления в одноосных и двуосных кристаллах, предполагая в них упругость эфира по разным направлениям неодинаковой, вычисляет форму волны в двуосных кристаллах; для подтверждения своих выводов он производит исследования над упругостью и показывает, как однородные тела, под влиянием сжатия, могут сделаться двупреломляющими.
Этот мемуар по поручению академии рассматривала в 1822 г. комиссия из Арого, Ампера и Фурье, которая, признав чрезвычайную важность работ Френеля, все же не могла согласиться с предположением о поперечности световых колебаний. Еще раньше (1817 - 1818) при рассмотрении явления полного внутреннего отражения Френель пришел к представлению об поляризованных эллиптически и по кругу лучах и в 1825 г. блестяще применил их к объяснению открытого Биo явления вращения плоскости поляризации в кварце и некоторых жидкостях. Френель умер, не дождавшись полной победы эфирной теории над теорией истечения; окончательный поворот в этом направлении наступил после 1830 г. и уже в сороковых годах истекшего столетия теория истечения была совершенно забыта. Работы Френеля напечатаны в мемуарах парижской академии и в 30-х годах почти все появились в переводе в "Poggеndorfs Annalen der Physik". В 1866 - 70 г. акад. издала полное собрание сочинений Френеля в трех томах. Работы Френеля по маячному делу относятся почти все к последним годам его жизни и завершились введением в франц. маяках ступенчатых стекол и особенно сильных горелок; ступенчатые стекла в настоящее время применяются везде. Биографию Френеля, см. "Сочинения" Араго (русск, перев. Д. Перевощикова в 1860 г. под названием: "Биографии знаменитых астрономов, физиков и геометров", т. II, стр. 67).