Занимаясь фотографическими наблюдениями Солнца, Белопольский следил за движением солнечных пятен, пытался понять особенности их динамики с помощью специального эксперимента, исследовал вращение Солнца по движению факелов. Одним из первых применил фотографическую регистрацию спектров космических тел, используя для этого специальный спектрограф. В 1890 приступил к выполнению обширной программы по измерению лучевых скоростей звезд. Впервые обнаружил периодичность лучевых скоростей цефеид, что в дальнейшем привело к открытию их пульсаций. В 1895, используя спектроскопические методы, доказал, что кольца Сатурна состоят из мелких тел, а циркуляция атмосферы Юпитера имеет четко выраженный зональный характер. Анализируя спектр края солнечного диска, нашел, что скорость вращения поверхностных слоев Солнца подвержена заметным изменениям.

Белопольский занимался также изучением комет (их спектров, физического строения, химического состава), фотографическими наблюдениями солнечных и лунных затмений. В 1900 он поставил лабораторный эксперимент, в ходе которого была проверена формула, связывающая величину смещения спектральной линии со скоростью движения объекта (эффект Доплера). Белопольский читал лекции по астрофизике на Высших женских курсах (1908–1918), выпущенные им впоследствии в виде учебника. В 1903 был избран действительным членом Российской академии наук.

Умер Белопольский в Пулкове 16 мая 1934.