Основной вклад Лио о современную астрофизику связан с изучением поляризации света, отражаемого и рассеиваемого космическими объектами. С 1921 ученый проводил систематическое поляриметрическое измерение планет Солнечной системы. Показал, что поверхность Луны, Марса и Меркурия сложена породами, близкими по своим поляризационным характеристикам к земным вулканическим породам. Нашел, что свет, рассеянный в атмосфере Венеры, имеет поляризацию, характерную для облаков, которые состоят из мелких капель жидкости. Открыл сезонную изменчивость поляризации света, отражаемого от поверхности Марса. Обнаружил подобие поляризационных характеристик марсианских «материков» и земных минералов, содержащих оксиды железа. Впервые зарегистрировал изменения поляризации света при развитии марсианской пылевой бури. Нашел, что внутреннее кольцо Сатурна поляризует свет так же, как скальные земные породы. В 1932 измерил поляриметрические характеристики ярких астероидов.

Изобретательский талант Лио в полной мере проявился в его исследованиях Солнца. В 1930 он создал коронограф – телескоп для наблюдений солнечной короны вне затмения. Ранее корону можно было наблюдать только во время редких и непродолжительных (не более 7 мин) солнечных затмений. Проводя измерения на высокогорной обсерватории Пик-дю-Миди в Пиренеях, Лио с помощью коронографа изучил спектр короны (при этом обнаружил в нем пять новых эмиссионных линий), ее поляризационные характеристики. Использовал интерференционно-поляризационные фильтры с рекордными для того времени параметрами для наблюдений протуберанцев. Впервые получил высококачественные монохроматические изображения солнечного диска и короны.

Умер Лио в Каире 2 апреля 1952.