Adams s'intéresse principalement au spectre des étoiles et est le codécouvreur de la relation entre l'intensité relative de certaines raies spectrales et la magnitude absolue de l'étoile. Il démontre que le spectre peut être utilisé pour déterminer si une étoile est une géante ou une naine.
En 1912 il fait les mesures d'astrométrie de l'étoile HD 140283, l'une des plus vieilles connues. En 1915 il étudie le compagnon de Sirius et découvre qu'en dépit de sa taille légèrement plus grande que celle de la Terre, la surface de l'étoile est plus brillante par unité de surface que celle du Soleil et qu'elle est aussi massive. De telles étoiles sont maintenant connues sous le nom de naine blanche.
