Научные работы А. С. Эддингтона посвящены главным образом изучению движения звезд, их внутреннего строения, теории относительности и релятивистской космологии. Именно он экспериментально подтвердил одно из предсказаний теории относительности — отклонение лучей света в гравитационном поле Солнца, которое он обнаружил во время полного солнечного затмения в 1919 г. Им получен ряд основополагающих результатов в таких областях астрофизики, как внутреннее строение звезд, состояние межзвездной материи, движение и распределение звезд в Галактике. В последние годы А. С. Эддингтон работал над созданием единой физической теории на основе квантовой механики, общей теории относительности и теории расширения Вселенной.