Stosowana przez niego metoda była zatem inna od tej przyjętej przez Muybridge'a – zamiast rejestracji każdej sekwencji ruchu osobnym aparatem na oddzielnej kliszy, Marey wszystkie ujęcia zapisywał na jednej. Początkowo fotografował ubranego na biało żołnierza na czarnym tle, wykonującego ćwiczenia gimnastyczne, a potem także różne rodzaje ruchu innych ludzi oraz zwierząt i przedmiotów. W 1888 szklaną płytę zastąpił papierowym negatywem. Jego prace, z których część była wprowadzana w ruch za pomocą zoetropu, były prezentowane w 1889 w Paryżu na wystawie światowej. Jakkolwiek sam Marey nie był zainteresowany tworzeniem iluzji ruchu, jego prace wywarły wpływ na działalność Thomasa Edisona czy braci Lumière. Badania Mareya wzbudziły zainteresowanie także wśród artystów, zwłaszcza kubistów i futurystów. Marcel Duchamp zainspirował się nimi tworząc swój obraz Akt schodzący po schodach nr 2 (1912).
W 1894 stworzył w Lasku Bulońskim niemy film Falling Cat.
Członek Collège de France, Francuskiej Akademii Nauk i Société française de photographie.