W czasie badań zbierał okazy roślin i zwierząt w Ameryce Południowej – w Amazonii i nad Rio Negro – oraz w Azji Południowo-Wschodniej – w Malezji i Indonezji. W latach 1854–1862 odwiedził Sumatrę, Jawę, Borneo, Celebes, Moluki, Timor, Nową Gwineę oraz Wyspy Aru i Ké. Interesował się przede wszystkim zoogeografią. Zebrał kolekcję ponad 125.000 gatunków zwierząt.

Napisał m.in.: „Podróże do Amazonii oraz Rio Negro” (1853, 4 wyd. 1900), „Archipelag Malajski” (1869, 10 wyd. 1891), „Geograficzne rozmieszczenie zwierząt” (1886, 2 tomy) i wiele innych publikacji naukowych. Jako pierwszy zauważył różnice w charakterze i składzie gatunków pochodzących z przeciwnych stron linii przebiegającej między Azją i Oceanią. Linia ta nazwana została linią Wallace’a (odkrycie miało miejsce podczas podróży przez Indie Wschodnie).

W czasie swoich badań doszedł – niezależnie od Darwina – do sformułowania teorii ewolucji opartej na doborze naturalnym. Teoria została po raz pierwszy ogłoszona wspólnie przez obu naukowców w 1858 roku, w czasie posiedzenia Towarzystwa Linneuszowskiego.

Jest także współtwórcą biogeografii.

Publikacje A.R. Wallace jest autorem ponad 1000 publikacji.