Работы Френеля посвящены физической оптике. В 1815 Френель открыл принцип интерференции; добавил к опытам Т.Юнга несколько новых, в частности опыт с «бизеркалами Френеля». В 1818 разработал теорию дифракции света. На основе этого принципа объяснил прямолинейный характер распространения света. Предложил способ расчета дифракционной картины, основанный на разбиении фронта волны на зоны (зоны Френеля). С его помощью рассмотрел дифракцию от края препятствия и круглого отверстия. В 1821 доказал поперечность световых волн. В 1823 установил законы поляризации света при его отражении и преломлении (формулы Френеля).