Работы Фламмариона посвящены двойным и кратным звездам; в частно сти, он открыл общее собственное движение нескольких широких пар звезд, доказав физическую связь между ними. Изучал цвета звезд и отдельных образований на поверхности Луны (изменения цвета в кратере Платон объяснял наличием в нем растительности). В 1876 заметил сезонные изменения темных областей на Марсе. Многочисленные наблюдения этой планеты, выполненные Фламмарионом в обсерватории Жювизи, описаны им в книге Планета Марс и условия обитания на ней (1909); в этой книге собраны все известные наблюдения Марса начиная с 1636.
Кроме астрономии, Фламмарион занимался проблемами вулканологии, зем ной атмосферы, климатологией. В 1867–1880 совершил несколько подъемов на воздушных шарах с целью изучения атмосферных явлений, в частности атмосферного электричества.
В 1882 основал научно-популярный журнал «Астрономия» («L'Astronomie»), писал для него статьи. В 1887 основал Французское астроном