托馬斯·楊是波動光學的奠基人之壹。他對光、聲振動的實驗研究，使他確信二者的相似性和波動說的正確性。在關於光的本性的爭論中，1800年正是微粒說占上風的時期，他發表了《關於光和聲的實驗與研究提綱》的論文，文中他公開向牛頓提出挑戰：“盡管我仰慕牛頓的大名，但是我並不因此而認為他是萬無壹失的。我……遺憾地看到，他也會弄錯，而他的權威有時甚至可能阻礙科學的進步”。他從水波和聲波的實驗出發，大膽提出：在壹定條件下，重疊的波可以互相減弱，甚至抵消。從1801年起，他擔任皇家學院的教授期間，完成了幹涉現象的壹系列傑出的研究工作。他做了著名的楊氏幹涉實驗，先用雙孔後來又用雙縫獲得兩束相幹光，在屏上得到幹涉花樣。這壹實驗為波動光學的復興作出了開創性的工作，由於它的重大意義，已作為物理學的經典實驗之壹流傳於世。他還發現利用透明物質薄片同樣可以觀察到幹涉現象，進而引導他對牛頓環進行研究，他用自己創建的幹涉原理解釋牛頓環的成因和薄膜的彩色，並第壹個近似地測定了七種顏色的光的波長，從而完全確認了光的周期性，為光的波動理論找到了又壹個強有力的證據。
1803年，托馬斯·楊發表了《物理光學的實驗和計算》壹文，力圖用他自己發現的幹涉現象解釋衍射現象，以便把幹涉和衍射聯系起來，文中還提出當光由光密媒質反射時，光的相位將改變半個波長即所謂半波損失。
1817年，他在得知阿拉果和菲涅耳***同進行偏振光幹涉實驗後，曾於同年1月12日給阿拉果的信上提出了光是橫波的假設。
在生理光學方面，他做出了壹系列的貢獻。早在1793年（20歲時），他向皇家學會提交第壹篇論文，題為《視力的觀察》，第壹次發現人的眼睛晶狀體的聚光作用，提出人眼是靠調節眼球的晶狀體的曲率，達到觀察不同距離的物體的觀點。這壹觀點是他經過了大量的實驗分析得出的。它結束了長期來對人眼為什麽能看到物體的原因的爭論，並因此於1794年被選為皇家學會會長。他提出顏色的理論，即三原色原理，他認為壹切色彩都可以從紅、綠、藍三種原色的不同比例混合而成，這壹原理，已成為現代顏色理論的基礎。
1807年，托馬斯·楊出版了《自然哲學和機械技術講義》2卷，在這本內容豐富的教材中，除了敘述他的雙縫幹涉實驗。他還首先使用“能量”的概念代替“活力”，並第壹個提出材料彈性模量的定義，引人壹個表征彈性的量即楊氏摸量。
他是壹個熱愛知識和追求真理的學者，有頑強的自修能力和自信心，曾因辨識了壹塊埃及古石碑上的象形文字而對考古學作出貢獻，就在他逝世前仍致力於編寫埃及字典的工作。他以壹生中沒有虛度過壹天而感到最大的滿足。