Carlo Foà diede numerosi contributi sperimentali in vari settori, soprattutto nell'ambito della fisiologia (soprattutto di neuroregolazione della respirazione e dell'apparato circolatorio) e dell'endocrinologia (soprattutto di ghiandole sessuali e di epifisi). Ottenne molti riconoscimenti: fra gli altri il "Premio Aldini" per alcuni studi di neurofisiologia (1911), il "Premio Elia von Cyon" per le sue ricerche sull'epifisi, il premio reale dell'Accademia Nazionale dei Lincei (1929). Fu designato dalla Facoltà di medicina a rappresentarla nei consigli direttivi del "Centro di genetica umana" e della "Fondazione Mario Donati", e divenne presidente di entrambe le istituzioni. L'Accademia Nazionale dei Lincei lo accolse come socio corrispondente nel 1922 e socio nazionale nel 1932. Nel 1935 fu anche direttore della rivista di divulgazione scientifica "Sapere".