Занимался генетическими связями баскского языка, а также проблемой классификации эскимосско-алеутских языков и языков индейцев Северной Америки. В области индоевропеистики составил древнеиндийский и готский этимологические словари. Выдвинул гипотезу о «скрещённом» характере грамматического строя индоевропейских языков. Занимался типологическим изучением эргативности и выдвинул гипотезу об эргативном строе праиндоевропейского языка.
Уленбек преподавал санскрит Роберту ван Гулику.
Сочинения
«Пассивный характер переходного глагола или глагола действия в языках Северной Америки», «К учению о падежах», «Agens и Patiens в падежной системе индоевропейских языков», «Идентифицирующий характер поссессивной флексии в языках Северной Америки» // Эргативная конструкция предложения, М., 1950 (http://slovo.iphil.ru/virtlab/50/ergativ/ekp_50/ekp-50/view).
