Fizeau, en 1888, dans une séance de l'Académie des Sciences, a conclu d'une série de raisonnements que Mars est couvert de glaciers et que les lignes que l'on croit observer à sa surface ne sont que les crevasses de ces glaciers; C. Flammarion s'est élevé cependant contre les conclusions précédentes. Fizeau a également été le premier, en compagnie de Foucault, à obtenir une image photographique du Soleil.

Mais sa principale contribution reste cependant sa découverte de ce que l'on appelera, dans sa forme la plus générale, l'effet Doppler ou Doppler-Fizeau : Le 23 décembre 1848, Fizeau, dans une séance de la Société philomathique, lut un mémoire, publié seulement en 1870, dans lequel il démontre qu'en attribuant un mouvement très rapide à un corps lumineux ou à l'observateur, on altère la longueur d'onde des rayons simples qui composent la lumière reçue dans la direction du mouvement, et que cet effet se traduit par un déplacement des raies correspondant au changement de la longueur d'onde. 

La loi s'énonce ainsi : selon qu'un corps lumineux se rapproche ou l'éloigne, les raies de son spectre sont déviées vers la partie violette ou vers la partie rouge. (Lebon, 1899).