Труды по теории языка, семиотике культуры, психолингвистике и нейролингвистике (разработка гипотезы о «разделении труда» между левым и правым полушариями мозга человека при продуцировании и понимании речи), сравнительно-историческому языкознанию, особенно индоевропейскому. Один из авторов 2-томника «Индоевропейский язык и индоевропейцы» (1984), в котором суммируются результаты предшествующих исследований и предложены оригинальные решения в области грамматики и лексики гипотетического индоевропейского праязыка, реконструируются социальная организация, религия и материальная культура праиндоевропейцев. Исследования по отдельным группам индоевропейских (славянских, балтийских, хетто-лувийских и др.) и неиндоевропейских языков (хаттского, хурритского и этрусского в их отношении к северокавказским). Занимался вопросами истории отечественной литературы и культуры, истории науки и др. Один из создателей отечественных школ хеттологии, машинного перевода, семиотики, компаративистики (1960-е). Ряд трудов посвящен фольклору, мифологии и ритуалу (главным образом славян; совместно с В.Н. Топоровым создал «теорию основного мифа»). Член редколлегии и автор многих статей энциклопедии «Мифы народов мира» (2-е изд., т. 1–2, 1987–1988; Государственная премия СССР в 1990).