Zöllner napisał liczne prace o fotometrii i analizie widmowej, publikowane m.in. w czasopiśmie Annalen der Physik, redagowanym przez Johanna Christiana Poggendorffa. Jest też autorem dwóch prac o fotometrii nieba (, 1861, oraz , 1865), a także książki (1872). W Lipsku stworzył pierwszy program badań astrofizycznych. Przypisuje mu się też pierwsze użycie nazwy „astrofizyka”, którą wprowadził w 1865.
Prowadził też teoretyczne badania plam słonecznych i rotacji Słońca oraz opracował metodę ułatwiającą obserwację protuberancji słonecznych (wyrzutów rozżarzonej materii ponad brzeg tarczy Słońca), inspirowaną wcześniejszymi pracami Julesa Janssena i Normana Lockyera. W pracy z 1870 zajął się wpływem gęstości i temperatury na widma świecących gazów, co miało istotne znaczenie dla rozwoju spektroskopii. W teorii komet przyjął, że materia jądra komety stopniowo odparowuje w miarę zbliżania się do Słońca.