Совместно с Я. Б. Зельдовичем рассчитал количество частиц и среднее значение тензора энергии-импульса квантовых полей в однородной анизотропной космологической модели. Вместе с ним же продемонстрировал Стивену Хокингу, что в соответствии с принципом неопределённости квантовой механики вращающиеся чёрные дыры должны порождать и излучать частицы. Совместно с Ю. Н. Парийским и др. обнаружил флуктуации температуры реликтового излучения.
Вместе с А. Гутом и А. Д. Линде является основоположником теории ранней Вселенной с де-ситтеровской (инфляционной) стадией. Наиболее важные результаты в этой области: первый расчет спектра гравитационных волн, генерируемых на инфляционной стадии, первая последовательная модель инфляционного сценария, первый (одновременно, но независимо от С. Хокинга и А. Гута) количественно правильный расчет спектра возмущений плотности, теория стохастической инфляции, теория разогрева материи во Вселенной после конца инфляционной стадии, теория перехода от квантового описания первичных неоднородностей к классическому.
Академик Российской академии наук (2011). Член Немецкой национальной академии наук, лауреат премии им. А.А.Фридмана РАН и международной премии Томалла (Швейцария), награжден медалью О. Клейна (Шведская королевская академия наук).
Член редколлегий журналов «Письма в ЖЭТФ», «Письма в Астрономический журнал» (заместитель главного редактора), «Gravitation and Cosmology» (заместитель главного редактора), «International Journal of Modern Physics D», «Journal of Cosmology and Astroparticle Physics». Также был членом редколлегий журналов «Classical and Quantum Gravity» (1993—1996), «General Relativity and Gravitation» (1989—1997), «Physical Review D» (2001—2003).
