Fizeau Jean-Bernard-Léon Foucault-val együtt vizsgálta a Nap színképének infravörös részét, hő- és fénytani megfigyeléseket végzett. Nem ismerve Christian Doppler 1842-es közleményét, Fizeau 1848-ban magyarázatot adott a csillagok fényének hullámhossz-eltolódására. Megmutatta, hogy az eltolódás felhasználható a tőlünk azonos irányba eső csillagok relatív sebességének a mérésére. 1849-ben ő mérte meg először nem csillagászati módszerrel, viszonylag nagy pontossággal, a fény sebességét.

 Fizeau 1851-ben kísérletsorozattal igyekezett bizonyítani a fényhordozó éter létezését; a korabeli feltételezés az volt, hogy ez az anyag kitölti az egész teret, és a fényhullámok terjedésének elengedhetetlen hordozóanyaga. A kísérleti eredmények nem mutatták ki az éter létezését, Fizeau eredményei viszont hozzájárultak ahhoz, hogy az éterelméletet a XX. század elején elvetették. Fizeau 1860-ban lett a Francia Akadémia tagja, 1863-ban a párizsi École Polytechnique fizikaoktatási főfelügyelőjévé nevezték ki.