Michelson–Morley experiment
その後も、仕事の傍ら光学の研究を行った。クリスティアーン・ホイヘンスやトマス・ヤングらによる、従来の「光の波動説」では光は音波と同様、縦波であると考えられていた。フレネルは、偏光の振る舞いから、光の波動説を実証し、かつその振動方向は進行方向に対して垂直な横波であるという結論を得た。この結果は1818年に論文として発表された。フレネルの光学理論は、複屈折現象などを上手く説明できることが明らかになり、広く受け入れられる様になった。また同年、地球のような運動する物体の光行差についての研究を行った。この研究はマイケルソン・モーリーの実験の基礎を与えるものであり、さらには特殊相対性理論につながるものであった。