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Issu d'une famille aisée, Fizeau avait fait des études de médecine qu'il abandonna pour la physique. Il travailla avec Foucault jusqu'en 1850 au perfectionnement de la photographie (ils réalisèrent ensemble le premier bon daguerréotype du Soleil) et fit avec lui de magnifiques expériences sur les interférences en lumière visible et en infrarouge. En 1848, il découvrit indépendamment de l'autrichien Christian Doppler le déplacement de la longueur d'onde du son et de la lumière quand la source s'éloigne ou se rapproche de nous (effet Doppler-Fizeau). Il mesura le premier la vitesse de la lumière en 1849, puis, sept semaines après Foucault, montra en 1850 que la lumière va moins vite dans l'eau que dans l'air : c'était une confirmation éclatante de la théorie ondulatoire de la lumière d'Huygens et de Fresnel. L'année suivante, Fizeau réussissait une expérience très délicate montrant que la lumière est partiellement entraînée par un courant d'eau, résultat dont l'explication convaincante dut attendre la théorie de la relativité d'Einstein. Fizeau imagina aussi que l'on pourrait mesurer le diamètre apparent des étoiles par une méthode d'interférences qui connaît aujourd'hui un développement spectaculaire. On peut le considérer comme un des fondateurs de la brillante école d'optique française.