Astronomie et astrophysique
Son premier travail significatif est une révision du catalogue d'étoiles doubles de Friedrich Georg Wilhelm von Struve, il publie un catalogue de plus de 10 000 étoiles en 1859. Durant la même période il étudie Jupiter, Saturne et Mars, une des cartes de Mars qu'il établit comporte la mention d'Antlantic canali qui est la première utilisation du terme canal pour décrire une caractéristique de Mars, bien que ce qu'il décrit n'a aucun rapport avec les canaux martiens que Giovanni Schiaparelli croira découvrir en 1877. Il établit aussi une carte détaillée du cratère Copernic. Ses travaux sur les planètes sont inclus dans Il quadro fisico del sistema solare secondo le piu recenti osservazioni, publié en 1859.
Mais c'est dans le domaine de l'astrophysique que son travail est le plus remarqué, en particulier ses études du Soleil. Pendant une expédition en Espagne pour étudier l'éclipse du 18 juillet 1860, les photographies prises permettent d'établir que la couronne solaire et les protubérances s'élevant au-dessus de la chromosphère sont bien des caractéristiques du Soleil et non des illusions d'optiques ou des montagnes lunaires éclairées. Secchi publie en français Le soleil. Exposé des principales découvertes modernes en 1870, état de l'art de l'étude du Soleil à l'époque. Secchi est le découvreur des spicules.
Ses études spectroscopiques de 4 000 étoiles lui permettent d'établir une des premières classifications basées sur leur spectre. Secchi distingue trois classes d'étoiles dont les représentants sont Alpha Lyrae (Véga), Alpha Herculis et Alpha Bootis (Arcturus).
Physique
Le travail le plus connu de Secchi dans ce domaine est Sulla unitá delle forze fisiche - L'unité des forces physiques publié en 1864, dans lequel il tente de dériver tous les phénomènes naturels de l'énergie cinétique. La seconde édition en deux volumes en 1878 est traduite en français, anglais, allemand et russe. Toutefois, influencé par sa foi, il fait remonter les causes premières à Dieu et à un acte de création divine.
Météorologie
Secchi dans ce domaine est un disciple de Matthew Fontaine Maury. Il étudie les aurores boréales, l'origine de la grêle, les effets de la foudre. On doit à Secchi l'installation du premier observatoire magnétique en Italie. Mais c'est surtout pour l'invention du météographe qu'il est connu, une machine enregistrant nuit et jour les courbes de température, de pression atmosphérique, de précipitation, de force du vent et d'humidité relative de l'air.