Francesco Grimaldi entdeckte, dass ein Prisma Licht in verschiedene Farben auffächert. Zudem erkannte er bei Versuchen an einem Spalt die Phänomene der Beugung und der Interferenz. Grimaldi beschrieb Licht erstmals als Wellenphänomen.

In der Astronomie machte er sich vor allem durch seine intensiven Mondbeobachtungen einen Namen. Sein Lehrer Giovanni Riccioli veröffentlichte 1651 in einem seiner Bücher eine Mondkarte von Franceso Grimaldi.

In dieser Karte trugen die dunklen Bereiche des Mondes erstmals die Bezeichnung Maria, lateinisch für Meere, und die hellen Gebiete hießen Terrae, Hochländer.

Viele der damals gewählten Namen für Mondmeere und Krater werden noch heute benutzt: etwa Mare Tranquilitatis, das Meer der Ruhe, in dem Apollo elf gelandet ist oder der Krater Copernicus.

Diese Benennung ist durchaus bemerkenswert, standen die Werke des Thorner Astronomen doch damals auf dem Index der durch die päpstliche Inquisition verbotenen Bücher. Zudem gibt es den Krater Galilaei – eine recht mutige Ehrung durch die Jesuiten, nicht einmal zwei Jahrzehnte nach dem Galilei-Prozess.

Im Alter von 45 Jahren ist Francesco Grimaldi 1663 in Bologna gestorben. Passend für den Mond-Astronomen trägt ein etwa 200 Kilometer großer Krater auf dem Mond den Namen Grimaldi.