Создатель учения о центрах происхождения культурных растений, автор закона гомологических рядов наследственной изменчивости, основоположник государственной системы генетических ресурсов растений.
Закон гомологических рядов (1920): виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости. Это позволяет предсказывать наличие признаков у родственных видов.
Учение о центрах происхождения культурных растений: в результате 180 экспедиций в 65 стран определил 8 основных центров (очагов) разнообразия и происхождения культурных растений (средиземноморский, переднеазиатский, среднеазиатский и др.).
Создание мировой коллекции семян: собрал уникальную коллекцию культурных растений и их диких родичей (крупнейшая в мире на тот момент), ставшую основой для селекционной работы.
Растениеводство и иммунитет: изучал иммунитет растений к болезням.
