Разработал оригинальный способ изготовления облегчённых, «сотовых» зеркал для телескопов. Сконструировал первый советский телескоп-рефлектор, установленный в Абастуманской обсерватории, первый советский спектрогелиоскоп (совместно с Н. П. Барабашовым), коронографы и целостаты для наблюдения солнечных затмений, другие астрономические приборы. Принимал участие в создании горизонтального солнечного телескопа, установленного в Пулковской обсерватории.
Лауреат Сталинской премии СССР (1941).
Именем Пономарёва названа малая планета (2792 Ponomarev), открытая Н. С. Черных 13 марта 1977 года в Крымской астрофизической обсерватории.
