Był samoukiem o wybitnych uzdolnieniach technicznych. Interesowały go własności optyczne szkła, ulepszał również jakość różnych mieszanek szkła optycznego.
W roku 1814 określił własności optyczne szkła, a w roku 1815 na tyle udoskonalił układ optyczny stosowany do obserwacji kolorów wyłaniających się z pryzmatu, że przy okazji dokonał odkrycia:
na tęczowe kolory słonecznego widma nakładała się seria cienkich, nieregularnie, jak się zdawało, rozmieszczonych ciemnych linii.
Ostatecznie Fraunhofer zarejestrował 576 takich linii, z których wybitniejsze zostały oznaczone wielkimi literami alfabetu łacińskiego.
Wykonał poprawne pomiary kątów światła wchodzącego i wychodzącego z pryzmatu, aby stworzyć to, co stanowi obecnie standardową część aparatury laboratoryjnej, a mianowicie spektrometr.
W 1828 roku wynalazł heliometr.
Był profesorem uniwersytetu i członkiem Akademii Nauk w Monachium.
