Zajmował się teorią liczb, analizą matematyczną i podstawami matematyki – teorią mnogości, topologią mnogościową oraz teorią kategorii. W teorii liczb badał zwłaszcza liczby całkowite, w analizie – funkcje rzeczywiste i teorię miary, a w teorii mnogości – teorię opisową i ogólną. Szczególne znaczenie mają jego prace w tej ostatniej dziedzinie [dostęp 2022-03-15]., co sam przyznawał, określając się jako badacz nieskończoności. Analizował pewnik wyboru i hipotezę continuum, m.in. ich konsekwencje i warunki równoważne. Zostawił po sobie obszerny dorobek: 57 książek, 724 prace i komunikaty, 107 artykułów i przemówień oraz 12 skryptów Wacław Sierpiński. Badacz zagadek nieskończoności, polskieradio.pl, 14 marca 2022 [dostęp 2022-03-15].. Wypromował też co najmniej kilku doktorów [dostęp 2022-03-15]., współtworzył czasopismo „Fundamenta Mathematicae” i redagował „Acta Arithmetica”, wznawiając je po II wojnie światowej.