Dans les années 1840, il contribue aux Comptes Rendus, décrivant un régulateur électromagnétique pour les lampes à arc électrique, et, en collaboration avec son ami Jules Regnauld, rédige un article sur la vision binoculaire.
En 1850, grâce à un miroir inversé tel que celui utilisé par Sir Charles Wheatstone pour mesurer la vitesse des courants électriques, il démontre que la lumière se propage plus rapidement dans l'air que dans l'eau. Il établit que la vitesse de la lumière varie inversement à l'indice de réfraction du milieu où elle se propage. (voir l'appareillage de Fizeau-Foucault).
En 1851, il établit la rotation quotidienne de la terre en utilisant la rotation libre du plan d'oscillation d'un long et lourd pendule suspendu au Panthéon de Paris. Pour cette démonstration, ainsi que pour l'invention du gyroscope, il reçoit en 1855 la médaille Copley de la Société Royale de Londres, une importante récompense scientifique. Il devient la même année assistant en physique à l'Observatoire impérial de Paris.
En septembre de la même année il découvre que la force nécessaire à la rotation d'un disque de cuivre augmente quand il doit tourner avec sa jante entre les pôles d'un aimant, le disque chauffant dans le même temps du fait des « courants de Foucault » induits dans le métal.
Foucault invente en 1857 le polarisateur qui porte son nom et l'année suivante, il conçoit une méthode pour donner aux miroirs des télescopes réfléchissant la forme d'un sphéroïde ou d'un paraboloïde de révolution.
Avec le miroir réfléchissant de Wheatstone il établit en 1862 la vitesse de la lumière à 298 000 km/s ; 10 000 km/s de moins que les précédentes expériences, et à 0,6 % de marge des valeurs actuellement acceptées.