Jego wczesne prace dotyczyły klasyfikacji rozmaitości. Opierając się na pracach Williama Browdera i Siergieja Nowikowa, opracował kilka genialnych technik rozwiązywania pojawiających się tu problemów. Kolejnym przełomowe wyniki dotyczą teorii homotopii (w szczególności tzw. ), do której wprowadził i z powodzeniem stosował formy różniczkowe.
Sullivan z powodzeniem wykorzystuje także metody analityczne i geometryczne do badania dynamiki holomorficznej. Jednym z jego znaczących dokonań w tym obszarze jest potwierdzenie – po 60 latach – hipotezy , tzn. wykazanie, że odwzorowania wymierne nie mają dziedzin wędrujących.
Wyróżnienia Sullivan był wielokrotnie nagradzany. Oprócz Nagrody Abela (przyznanej mu za przełomowy wkład w szeroko rozumianą topologię, a w szczególności w jej aspekty algebraiczne, geometryczne i dynamiczne) otrzymał m.in.:
2014 Nagrodę Balzana w dziedzinie matematyki 2010 Nagrodę Wolfa 2006 Nagrodę Steele’a za całokształt osiągnięć 1994 1981 1971
W latach 1970 i 1986 był prelegentem sekcyjnym, a w roku 1974 plenarnym na Międzynarodowym Kongresie Matematyków.
Jest członkiem m.in. National Academy of Sciences of the United States (od 1983 roku) i American Academy of Arts and Sciences (od 1991 roku).
W 2004 roku z rąk prezydenta George'a W.