Er befasst sich mit Bildung und Dynamik von Galaxien und Kugelsternhaufen und dem Problem Dunkler Materie in Galaxien. 1970 wies er im Anhang zu einer Arbeit[1] als Erster auf die Notwendigkeit Dunkler Materie in Spiralgalaxien hin aus dem Studium der Rotation der Galaxien.[2] Darauf hingewiesen hatte schon Fritz Zwicky 1933, was aber wieder in Vergessenheit geriet. Unterstützung erhielt Freemans frühe Vorhersage um 1978 durch die weitere Untersuchung der Rotation von Spiralgalaxien mit Radioteleskopen, ausgedehnt auf das interstellare Gas in den Galaxien und deren Umgebung.
Seine Arbeit von 1970 gehört zu seinen meistzitierten Arbeiten, allerdings für das Freeman-Gesetz für Spiralgalaxien, das besagt, dass Spiralgalaxien konstante Oberflächenhelligkeit haben (das Gesetz gilt heute aber als überholt und als Auswahleffekt), und Modelle für die Masseverteilung in Spiralgalaxien (Freeman Disk) und weniger für die Vorhersage Dunkle Materie.
Später initiierte er ein Projekt zur schnellen Durchmusterung der Galaxie mit der Aufnahme von rund 1 Million Sternen und ihrer chemischen Zusammensetzung (Hermes am Siding-Spring-Observatorium, New South Wales). Ziel ist die Rekonstruktion der Evolution unserer Galaxie.
↑Astroph. J., Band 160, S. 828 zu NGC 300: If the H I rotation curve is correct, then there must be undetected matter beyond the optical extent of NGC 300, its mass must be at least of the same order as the mass of the detected galaxy