引力透镜是爱因斯坦广义相对论的一个重要预言。当光线经过星系或星系团时，引力不仅仅会偏折光线，还能表现的像透镜。
根据爱因斯坦的广义相对论，当遥远的恒星发出的光线经过离我们较近的一个大质量物体时，光线会被弯曲。兹威基指出，如果这个大质量物体是整个星系的话，那么这个效应将更加明显。尽管包括哈勃在内的其他天文学家都认为，宇宙中星系的分布或多或少是均匀的，兹威基却却发现，星系倾向于聚集，形成星系团。
1933年，兹威基在研究了后发星系团中的星系后，首次提出了暗物质的概念。
更重要的是，兹威基发现，后发星系团中的星系的运动速度似乎违反了引力定律，因此他假设存在着大量看不见的物质，他称之为Dunkle Materie（即暗物质）。
1934年，在英国物理学家查德威克(James Chadwick )发现中子之后仅仅两年时间，兹威基与威尔逊山的天文学家巴德（Walter Baade）提出，当一颗大质量恒星耗尽燃料，走到生命尽头时，它的核心会被自身的巨大引力剧烈压缩，以至于大部分电子和质子会挤压在一起形成中子，最终形成了一个极端致密的中子星。中子星的直径约为16到32千米，但质量却是太阳的1.4倍。
兹威基和巴德还提出，这种恒星核的内爆会引发恒星外层巨大爆发，兹威基称之为超新星。在爆发时，这些物体的亮度大约是太阳的100亿倍。兹威基还预测，超新星爆发会产生银河宇宙射线——以光速运行的高能亚原子粒子。
诺贝尔物理学奖得主索恩（Kip Thorne）后来将兹威基-巴德在1934年发表的关于超新星、中子星和宇宙射线的论文称为“物理学和天文学史上最具先见之明的文献之一”。
1948年，刚过50岁的兹威基在牛津大学发表了演讲（牛津大学著名的Halley Lecture），他借此机会讨论了形态学的概念，这是一个最初由歌德应用于科学研究的概念。
兹威基将“形态学”（或者说一般形态学分析）发展为一种用于构建和研究那些包含在多维的、不可量化的问题中的复合性的方法，以此来处理那些看似不能被约化的复杂性。形态学分析需要通过许多迭代的步骤（或阶段），每一步（或每一个阶段）都代表分析与综合的周期。一个用到了形态学方法的问题求解程序，会首先对“所有可能重要的参数”进行定义，然后将每一个参数与其他每个参数进行匹配，生成一个包含“所有潜在解”的矩阵。
他将这种方法应用于天体物理学之外的领域，比如推进发电厂和推进剂的发展，还有太空旅行和太空殖民的法律方面的问题。他创立了形态学研究学会，在20世纪30年代初到1974年离世的40多年间，积极地推动了“一般形态学”的发展。
后来，兹威基写道，形态学是他寻找良久才终于得到的“点金石”。
他意识到是形态学方法的驱使，让他提出了中子星、星系引力透镜效应、超新星这些极端的概念；也是形态学方法引导他在战争期间，找到了能让飞机从航空母舰的短跑道上起飞的巧妙解决方案。
如今，兹威基的几乎所有理论都得到了验证。上世纪70年代初，美国天文学家鲁宾（Vera Rubin）以及福特（Kent Ford）等人证实了兹威基关于暗物质的发现。现在许多独立的观测告诉我们，这种神秘的暗物质大约是普通物质的5倍。
兹威基独自发现了129颗超新星——这一记录至今无人打破。60年代中期，射电天文学家发现了银河系中第一颗中子星。正如兹威基所预言的那样，天体物理学家如今相信，大多数银河宇宙射线来自超新星爆发。而在兹威基去世的五年之后，科学家才首次确认了引力透镜效应。
在漫长的职业生涯中，兹威基撰写了超过300篇的文章，出版了10本书籍，拥有25项专利。他也被称为现代喷气发动机之父。在二战之后，兹威基收集并捐赠了15吨的科学书籍和期刊给饱受战争摧残的欧洲和亚洲的科学图书馆。
尽管兹威基被外界添上了易怒、傲慢、粗暴、好斗的标签，但毫无疑问，他是一位科学先知，他的成就至今仍照亮着科学世界。