Основные труды в области изучения солнечных затмений и спектра короны и хромосферы. В 1919 совместно с Артуром Эддингтоном организовал две экспедиции для наблюдения солнечного затмения 29 мая 1919 года в город Собрал в Бразилии и на португальский остров Принсипи в Африке (сам Дайсон наблюдал затмение в Бразилии), результаты которых подтвердили предсказание общей теории относительности Эйнштейна об отклонении света в поле тяготения Солнца.