Han ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 1953 for utviklingen og oppdagelsen av fasekontrast, en optisk teknikk som gjør det mulig å studere svært fine strukturer i levende celler gjennom mikroskop. Zernike gjorde oppdagelsen i 1930, men først i 1941 ble fasekontrastmikroskopet satt i produksjon i tyskland. Teknikken har hatt og har fremdeles stor betydning innen medisinsk forskning, og anvendes også blant annet til rutineundersøkelser av bakterier, protozoer og vev.