Le ricerche, e quindi le pubblicazioni scientifiche di Pio Foà, sono state molto numerose, come pure numerosi sono stati i casi clinici studiati e descritti. Si è interessato soprattutto del sangue, degli organi emopoietici e delle cellule ematiche. Fu il primo a osservare nei reticolociti, ossia nei globuli rossi di recente formazione, una sostanza granulo-filamentosa segno patognomonico di giovinezza del globulo rosso. Ha anche eseguito studi di microbiologia (studiò l'azione patogena del "Diplococcus lanceolatus"), e dell'anatomia patologica di affezioni epatiche e renali. Venne accolto all'Accademia delle Scienze di Torino.