Основні наукові праці присвячені спектральному вивченню зірок. Детально досліджував Нову Візничого 1892 і відзначив зміни характеру спектру — ослаблення континууму і поява яскравих ліній. Спостерігав емісійний спектр зірок Вольфа — Райе і вперше виявив зміни інтенсивності водневих ліній і зеленої небулярної лінії. Велика заслуга Кемпбелла у підготовці та виконанні початої в Лікській обсерваторії в 1896 обширної систематичної програми зі спостереження променевих швидкостей зірок, метою якої було визначення руху Сонця серед зірок. Важливим результатом цих спостережень було також виявлення великої кількості спектрально-подвійних зірок. Ці роботи послужили основою для подальшого широкого вивчення власних рухів зірок і обертання Галактики. Під час протистоянняМарса у 1894 спостерігав його спектр і знайшов, що в атмосфері Марса дуже мало кисню і водяної пари і що щільність її набагато нижче щільності земної атмосфери. У 1909 і 1910 знову спостерігав Марс і підтвердив ці результати. Очолював експедиції Лікської обсерваторії для спостереження сонячних затемнень — до Індії (1898), Іспанії (1905), на острів Флінт поблизу Таїті (1908), до Російської імперії (Бровари, 1914)[7], Австралії (1922), а також на території США (1900, 1918), учасник експедиції до Мексики (1923). Під час спостереження затемнення 1922 справив спільно з Р.Дж. Трюмплером вимірювання відхилення променів світла зірок при проходженні його поблизу Сонця, передбачене загальною теорією відносності.
Підручник Кемпбелла «Елементи практичної астрономії» (1899) протягом багатьох років вважався зразковим.