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빛의 간섭 원리를 확립하여 1세기가 넘게 내려오던 빛의 파동설을 재정립했다. 또 이집트학 학자로서 로제타석의 판독을 도왔다. 1799년 런던에서 개업 의사가 된 그는 감각 지각에 관심이 있었으며, 의대생 시절에는 일정한 거리에 있는 물체에 초점을 맞출 때 수정체의 형태가 어떻게 변하는가를 알아냈다.

1801년 난시의 원인을 알아내고, 빛을 연구하기 시작했다. 2개의 인접한 바늘구멍 사이로 통과된 빛을 화면에 비추면 빛살들은 퍼져나가서 서로 겹치며, 겹친 곳에 밝은 띠와 어두운 띠가 교대로 나타나는 것을 발견했다. 빛이 간섭을 일으킨다는 사실을 근거로 빛이 파동이라는 입장을 강력히 내세웠다. 그는 새로운 빛의 파동론을 이용하여 비누 거품과 같은 얇은 막에 나타나는 색깔을 설명했고, 색과 파장을 연관시켜 뉴턴이 알아낸 7가지 색에 알맞은 파장을 계산했다.

1817년 그때까지 믿어온 것처럼 빛이 종파(縱波：진행방향으로 진동하는 파)가 아니라 횡파(橫波：진행방향과 수직하게 진행하는 파)임을 제안해 빛의 편광(偏光)을 설명했다. 편광이란 빛의 파동이 같은 평면 위에서 진동하는 것을 말한다. 뉴턴의 이론을 반대하는 것은 상상할 수도 없었기 때문에 영국의 과학자들은 대부분 그의 연구 결과를 무시했다.

프랑스의 물리학자 오귀스탱 J. 프레넬과 프랑수아 아라고가 연구를 통해 이를 확인하고서야 비로소 영의 파동설이 유럽에서 인정받게 되었다.

색의 인식에 대해서도 연구하여, 눈이 색을 인식할 때 색마다 각각 서로 다른 과정을 거치는 것이 아니라 파랑·녹색·빨강에 대한 3가지 과정만으로도 충분하다고 주장했다. 나중에 독일의 물리학자 헤르만 폰 헬름홀츠가 이 이론을 발전시킴으로써 영-헬름홀츠 3색이론으로 불린다. 이집트학에도 관심을 두어 1814년 로제타석에 새겨진 문장을 연구하기 시작했으며, 다른 곳에서 얻은 또다른 상형문자를 참고로 몇 년 만에 로제타석에 씌어 있는 내용을 거의 정확하게 해석하여 고대 이집트 언어를 해독하는 데 크게 기여했다.

그밖에도 분자의 크기 측정, 표면 장력, 탄성학을 연구했으며 처음으로 에너지라는 말에 과학적 의미를 부여했다. 탄성을 수학식으로 나타낼 때 사용하는 상수를 그의 이름을 붙여 영률이라고 부른다(→ 영률).