La fisiologia gli deve l'introduzione dei metodi di registrazione grafica, e l'invenzione di numerosi apparecchi (sfigmografo, pneumografo, cardiografo, cronofotografo). Per esempio, nel 1881 Marey sostituì, come strumento di registrazione dell'attività elettrica del cuore, il chimografo di Carl Ludwig con uno strumento di sua invenzione, il cronofotografo, che permetteva di fissare fotograficamente le varie fasi di un movimento a scopo di studio. Come conseguenza di tale invenzione, e di altre simili riguardanti tecniche di registrazione fotografica dei movimenti, Marey è considerato uno dei principali pionieri del cinema e della fotografia. Nel 1888 inventò la prima macchina fotografica, con pellicola in rulli di carta sensibilizzata, e nel 1893 costruì il primo fucile cronofotografico.