С 1885 года по 1913 год работал директором обсерватории физики Солнца в Южном Кенсингтоне, а с 1913 года — в частной обсерватории в Сидмуте (впоследствии названной Локьеровской обсерваторией).
Основные работы посвящены спектроскопии Солнца и звёзд. Изучал спектр Солнца, солнечные пятна, хромосферу, протуберанцы и корону. Разработал метод наблюдения протуберанцев вне затмения; в 1887 году предложил классификацию звёздных спектров.
В 1868 году Локьер (одновременно с французским астрономом П. Жансеном) обнаружил в спектре солнечной короны жёлтую линию, не относящуюся к спектру ни одного из известных на то время химических элементов. В 1871 году объяснил её происхождение присутствием на Солнце элемента, для которого предложил название «гелий».
Норман Локьер считается пионером археоастрономии. На рубеже 19-20 веков он изучил астрономическую ориентацию ряда монументальных сооружений Египта, Ближнего Востока, Греции и Британии. Об этом он написал книгу «Заря астрономии».
В 1869 году основал журнал Nature, редактором которого оставался до 1919 года.
Член Лондонского королевского общества (с 1869), иностранный член-корреспондент Петербургской АН (с 1904). Кавалер ордена Бани (1897).