Научная карьера П. была стремительной. 26 марта 1873 г. он защитил диссертацию «Эпиграфические этюды», материалы для которой были собраны во время заграничной командировки, и получил ученую степень доктора римской словесности. В его работе были представлены оригинальные разделы: «Древние наговоры» и «Римские колумбарии», где рассматривались подлинные древние и подражательные надписи, реконструировались черты погребальной культуры Рима. Во второй половине своего научного пути И.В. Помяловский проявил себя как выдающийся византинист, публиковавший многочисленные работы по христианской агиологии, палестиноведению. Его интересы в области византиноведения были широки: от издания каталогов средневековых монет до переводов житийной литературы.
П. – востоковед-филолог, который специализировался на монгольском и калмыцком языках. П. считается одним из основоположников русского научного монголоведения.
Физика, математика, математическая логика, логика, финно-угорская филология.
П. – востоковед-филолог, специализирующийся в китаистике. В центре его внимания были составление китайских словарей и переводы сочинений древнекитайских философов.
П. - автор выдающихся исследований в области западноевропейской и русской нумизматики X-XIII вв., нумизматических, торговых и культурных связей России и Запада.
История средневековой культуры Италии, Германии, Швейцарии, Венгрии, Швеции, Норвегии, краеведение
Круг исследовательских интересов П. весьма широк. Первоначально главным объектом его изысканий являлась история античного — в первую очередь греческого — искусства, анализу которого он посвятил себя в студенческие годы и в период первой европейской командировки (в Германию, Англию, Францию и Италию). Этот же предмет стал темой большинства лекционных курсов, представленных им в российских учебных заведениях. Однако со временем сфера его исследований постепенно расширялась. С начала 1880-х гг. он обращается к изучению древнерусского искусства, а также художественных памятников Древнего Востока и Византии.