Tematyka badań Simon Levin jest zaliczany do czołówki naukowców, specjalizujących się w ekologii teoretycznej. W latach 1964–1973 zajmował się przede wszystkim matematyką stosowaną, publikując artykuły w takich specjalistycznych czasopismach, jak J. Mathematical Analysis and Applications, J. Differential Equations, J. Mathematics and Mechanics (również w J. Colloid and Interface Science). W następnych latach zaawansowane metody analiz matematycznych stosował rozwiązując teoretyczne i praktyczne problemy ekologii, początkowo głównie zagadnienia dynamiki liczebności populacji w biocenozach, a później problem struktury i organizacji całej biosfery, uznanej za jeden złożony system o wielkiej różnorodności (zob. teoria systemów), sterowany adaptacyjnie. Dynamika wzrostu liczebności populacji w ekosystemach W pierwszym okresie badań, odwołując się do koncepcji niszy ekologicznej G.E. Hutchinsona, określał m.in. warunki, w których możliwe lub niemożliwe jest osiągnięcie w różnych biocenozach stabilnej lub tylko okresowej równowagi biocenotycznej. Wskazał nieznane wcześniej zależności dynamiki wzrostu poszczególnych populacji od rodzaju i liczby czynników ograniczających (konkurencja, drapieżnictwo, dostępność zasobów pokarmowych;