Năm 1850, ông thí nghiệm dùng dụng cụ Fizeau–Foucault để đo tốc độ ánh sáng; về sau thí nghiệm này được gọi là thí nghiệm Fizeau–Foucault. Việc chứng minh rằng tốc độ ánh sáng trong môi trường nước thấp hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng trong môi trường không khí đã đặt dấu chấm hết cho thuyết hạt ánh sáng của Isaac Newton.[2]

Năm 1851, ông cung cấp bằng chứng thực nghiệm cho thấy rằng Trái Đất tự quay quanh trục của mình (xem chuyển động hàng ngày). Từ mái Điện Panthéon ở Paris, ông treo một quả cầu và tác động lực ban đầu khiến nó dao động; đầu kim gắn trên quả cầu vẽ vòng tròn trên cát ẩm ở mặt đất phía dưới, để lại những vệt của đường đi khác nhau sau mỗi chu kỳ chuyển động chậm chạp. Quỹ đạo này đã cho thấy rằng Trái Đất quay tròn xung quanh trục của nó. Thí nghiệm "Con lắc Foucault" gây ấn tượng cho cả giới trí thức và giới bình dân; khắp các thành phố lớn ở châu Âu và châu Mỹ diễn ra các thí nghiệm về con lắc này và thu hút đám đông theo dõi. Năm 1852, ông dùng khái niệm "Con quay hồi chuyển" để gọi bằng chứng thực nghiệm này. Năm 1855, ông nhận Huy chương Copley của Hội Hoàng gia Luân Đôn cho các nghiên cứu thực nghiệm hết sức nổi bật của mình. Trước đó, vào khoảng đầu năm 1855, ông cũng được đài quan sát hoàng gia ở Paris công nhận là physicien (nhà vật lý).

Tháng 9 năm 1855, ông phát hiện ra rằng cần nhiều lực hơn để khiến một đĩa đồng quay quanh trục nếu mép của đĩa này nằm giữa các cực của một nam châm (nằm trong từ trường), đồng thời đĩa bị dòng điện Foucault sinh ra nung nóng.

Năm 1857, Foucault phát minh ra kính phân cực mang tên ông.[3] Những năm sau đó ông sáng chế ra phương pháp thử nghiệm gương trong kính viễn vọng phản xạ để xác định hình dạng của gương đó.[4][5] "Kiểm định lưỡi dao Foucault" này cho phép người ta xác định xem liệu bề mặt một gương cầu là cầu hoàn hảo hay không. Trước khi Foucault công bố phát minh này thì việc kiểm định bề mặt gương phản xạ trong kính viễn vọng vẫn chỉ là "khi được khi không".

Năm 1862, Foucault dùng thiết bị gương xoay của Charles Wheatstone và xác định được tốc độ ánh sáng là 298.000 km/s, thấp hơn 10.000 km/s so với giá trị đo được trong các thí nghiệm trước đó và chỉ sai lệch 0,6% so với giá trị hiện đại.