В 1888 г. был зачислен адъюнктом астрономии при Государственной астрономической обсерватории в Пулкове. Аристарху Аполлоновичу были поручены меридианные наблюдения на большом пассажном инструменте и их обработка. Помимо этого он обрабатывал старые наблюдения А.Ф. Вагнера, сделанные на том же инструменте. Белопольский прежде всего восстановил запустевшую астрофизическую лабораторию, расположенную с 1886 г. в специальном двухэтажном здании и хорошо оборудованную (диффракционный спектрограф, двухпризменный спектрограф, установка с вогнутой решёткой, имеющей радиус кривизны 6, 4 м, разнообразные источники спектров и т. д. ). Белопольский получил командировку заграницу и хлопотал по заказу большого, т.н. нормального астрографа, прибывшего в Пулково в 1893 году. Установку этого инструмента и ряд пробных снимков делает он сам. Вслед за этим он предпринимает ряд наблюдений с специально заказанными спектрографами различной дисперсии, приспособляя их последовательно к астрографу, 15-дюймовому и в конце концов к 30-дюймовому рефрактору.
В течение 34 лет, с помощью этого инструмента, Белопольскому удалось произвести ценный ряд наблюдений, доставивший ему большую известность, как выдающегося спектроскописта. А.А. Белопольский первым применил фотографию для детального изучения спектров различных небесных объектов и определения лучевых скоростей небесных тел. В 1890 приступил к выполнению обширной программы по измерению лучевых скоростей звезд. Впервые обнаружил периодичность лучевых скоростей цефеид, что в дальнейшем привело к открытию их пульсаций. В 1895, используя спектроскопические методы, доказал, что кольца Сатурна состоят из мелких тел, а циркуляция атмосферы Юпитера имеет четко выраженный зональный характер. Анализируя спектр края солнечного диска, нашел, что скорость вращения поверхностных слоев Солнца подвержена заметным изменениям. Занимаясь фотографическими наблюдениями Солнца, Белопольский следил за движением солнечных пятен, пытался понять особенности их динамики с помощью специального эксперимента, исследовал вращение Солнца по движению факелов.
Белопольский занимался также изучением комет (их спектров, физического строения, химического состава), фотографическими наблюдениями солнечных и лунных затмений. В 1900 году он поставил лабораторный эксперимент, в ходе которого была проверена формула, связывающая величину смещения спектральной линии со скоростью движения объекта (эффект Доплера). Белопольский читал лекции по астрофизике на Высших женских курсах (1908—1918), выпущенные им впоследствии в виде учебника. В 1903 был избран действительным членом Петербургской академии наук.
В 1908 был избран Академией Наук на должность Вице-Директора Пулковской обсерватории, а в конце 1916 после смерти О.А. Баклунда - назначен ее директором. Белопольский состоит действительным членом-Общества Испытателей Природы в Москве, Общества Любителей Естествознания, Московского Математического Общества; Почетным членом-Всероссийской Ассоциации Астрономов, Русского Астрономического Общества, Московского Общества Любителей Астрономии, Кружка Любителей Физики и Астрономии в Н.-Новгороде; Associate of Royal Astronomical Society в Лондоне (с 1910) и Membro estero della Societa degli Spektroscopisti Italiani (c 1901). В 1908 А. А. удостоен Парижской Академией Наук золотой медали имени Жансена и в 1918 - премии Лаланда. Он получил также две премии от Русского Астрономического Общества.
Умер Белопольский в Пулкове 16 мая 1934.