Известен многолетними наблюдениями Луны, в ходе которых пришел к выводу о продолжающейся вулканической активности этого спутника Земли. В 1879 году сообщил об открытии вновь образовавшегося кратера вблизи борозды Гигина. В 1882 году описал наблюдавшуюся им яркую вспышку в кратере Альфонс, которую интерпретировал как извержение вулкана (существование вулканической деятельности в Альфонсе было также установлено Н. А. Козыревым в 1958 году спектроскопическим путём, однако современные исследования опровергли эту точку зрения). Был членом Селенографического общества. С 1882 года издавал научно-популярный астрономический журнал «Sirius» (Лейпциг), естественноисторический журнал «Gaea», а с 1890 — «Ежегодник астрономии и геофизики» (нем. «Jahrbuch der Astronomie und Geophysik»).
Автор пользовавшихся широкой известностью во всем мире популярных книг по астрономии и метеорологии, в частности:
«Anleitung zur Durchmusterung des Himmels» (1882);
«Astronomische Abende» (1890);
«Kosmologische Briefe» (1891);
«Звёздный атлас» (1886)
«Fuhrer am Sternhimmel» (1892).
В его честь назван кратер Клейн на Луне.