Barnard var en mycket skicklig observatör och pionjär inom astrofotografin. Han upptäckte Jupiters femte måne (Amalthea, 1892), 16 kometer samt stjärnan med den hittills största kända egenrörelsen, Barnards stjärna. År 1889 började han fotografera olika områden längs Vintergatan och visade då att skenbart stjärnfattiga områden skyms av materia, s.k. mörka nebulosor.