Som optiker var Fraunhofer hovedsakelig beskjeftiget med konstruksjon av akromatiske linser. For disse arbeidene var det nødvendig å ha tilgang til homogent lys, og denne avhengigheten gjorde at Fraunhofer oppdaget de mørke linjene som la grunnlaget for hele spektralanalysen. Fraunhofer studerte også diffraksjonsfenomenet, og fant da blant annet at man kunne fremstille et spektrum ved hjelp av et rutenett av fine tråder. Blant Fraunhofers mange oppfinnelser kan man nevne den store parallaktiske refraktoren i Dorpat.