Витольд Карлович является основателем московской школы астрофотометрии. В 1887 им был построен фотометр (на основе фотометра Целльнера), с которым измерил яркость звезд в околополярной области и в нескольких звездных скоплениях. В 1875 - 1903 Цераский измерил блеск более 500 звёзд; один из первых определил в 1903году звёздную величину Солнца. В 1895 на основе опытов с плавлением металлов в фокусе вогнутого зеркала Цераский впервые установил нижний предел температуры Солнца в 3500° С. Цераский является организатором в Московской обсерватории систематических поисков и изучения переменных звезд фотографическим путем, начатые в 1895 на сконструированном им короткофокусном широкоугольном астрографе.
В 1885 году Цераский открыл ночные светящиеся облака («серебристые облака»), наблюдал их на протяжении 1885–1892 гг. и нашел их среднюю высоту. Предложил аналитический метод определения координат метеорного радианта и метод определения угловой скорости метеоров. Занимался усовершенствованием астрономических приборов: им изобретен окуляр, удобный для детального изучения солнечных пятен; сконструирована кассета для получения на гелиографе снимков в определенном масштабе, разработан специальный гелиометр для измерения величины сжатия Солнца. В 1891–1903 гг. осуществил перестройку Московской обсерватории, оснастил ее современным оборудованием. По его инициативе с 1895 начато систематическое фотографирование неба с целью обнаружения и исследования переменных звёзд по полученным фотографиям.
Умер Цераский близ г.Подольска (Московской обл.) 29 мая 1925.