Основные работы Мензела посвящены физике атмосфер Солнца и других звезд, а также газовых туманностей. Первое исследование солнечной хромосферы ученый выполнил еще в Ликской обсерватории. Определил содержание в ней многих химических элементов, показал, что физические условия в хромосфере существенно отличаются от фотосферных – более высокая температура, высокая степень возбуждения атомов. Мензел одним из первых применил киносъемку для изучения движения вещества в протуберанцах. В 1937–1945 совместно с Л.Аллером и Дж.Бейкером занимался количественным анализом небулярных спектров. Результатом этих работ стало создание теории переноса излучения в туманностях. Совместно с С.Пейн-Гапошкиной исследовал спектры новых звезд. Занимался теорией атомных спектров, физикой и химией земной атмосферы.

Велики заслуги Мензела как организатора науки. Благодаря его усилиям были созданы две известные солнечные высокогорные обсерватории – в Клаймаксе (шт. Колорадо) и Сакраменто-Пик (шт. Нью-Мексико). Он был одним из инициаторов строительства большого радиотелескопа на средства консорциума университетов, что положило начало созданию Национальной радиоастрономической обсерватории Грин-Бенк (шт. Виргиния).