В центре исследовательской деятельности О. – история древней и Средневековой Руси. Свою магистерскую работу О. посвятила устройству сельского землевладения в России в XVI-XVIII вв. Так О. рассматривает особенности административного управления деревней, формы крестьянского хозяйства, положение земельных арендаторов, монастырских земель и др. Т.к. О. была первой женщиной в Санкт-Петербургском университете, которая выступала с защитой магистерской диссертации, процесс ее утверждения вызвал большой ажиотаж среди студентов и преподавателей. Оппонентами О. выступали известные историки С.Ф.Платонов и А.Е.Пресняков. Они сошлись во мнении, что, текст исследования излишне тяжеловесен, и содержит целый ряд ошибок и искажений, однако при этом отметили, что автор проделала значительную источниковедческую работу, тщательно проанализировав основной материал по данной теме.

Внес важный вклад в развитие народного образования, популяризацию русской литературы среди широких слоев населения, ее преподавания. Специалист в области истории отечественной культуры и литературы, в частности, жизни и творчества С.Т. Аксакова, А.С. Пушкина, В.Г. Белинского, Н.В. Гоголя, В.А. Жуковского, Д.В. Григоровича, И.А. Крылова и др.

О. – специалист по истории России, истории демократических движений и партий. Наиболее известным и переиздаваемым трудом О. является «Хронология всеобщей истории» – справочное иллюстрированное издание для средней школы. Среди политологических сочинений О. наиболее известен его труд, посвященный политическим партиям.

Основной сферой научных интересов О., начиная со студенческих лет, оставалась история средневековой Италии и, в частности, процесс становления и развития итальянских городов-коммун (таких как Флоренция, Сиена, Болонья), который историк рассматривал в первую очередь с точки зрения специфических конкретных факторов в истории политического, социо-культурного и юридического «самоопределения» каждого отдельного города. Со временем — в период подготовки магистерской диссертации («Опыты по истории французских городов в средние века») — он также обратился к изучению истории французского коммунального движения. В годы эмиграции в Италии О. вновь всецело сосредоточился на изучении итальянской медиевистической проблематики, выпустив в свет целый ряд научных и научно-популярных работ, посвященных итальянским средневековым городам, их истории и культуре.

Теория искусства, история древнерусской живописи, источниковедение и археография истории Московской Руси XVI-XVII вв

Судьба унесла ученого из жизни в самом расцвете сил (умер от холеры), но она же отвела ему роль одного из тех историков, кто подвел итоги развития всей предшествующей исторической науки и предопределил развитие российской исторической науки в советский период. В первую очередь это относится к теме «феодализма». Первая крупная работа «Государевы служилые люди» написана вполне в традиционном духе – по сути свод данных по истории дворянства. В книге «Феодализм в древней Руси» и изданной посмертно трудами А. Е. Преснякова «Феодализм в удельной Руси» он, идя от историографической ситуаций в русской науке и сравнительно-исторического европейского материала сосредотачивается на проблеме феодализма и находит поразительное (как ему казалось сходство) между русским и европейским феодализмами.  На этой основе им создается периодизация русской истории, в которой первый период (Киевская Русь) рассматривается как общинный, второй (XIV – XV вв.) как феодальный, который затем преобразуется в сословное государство, в свою очередь трансформирующееся в абсолютизм. Эта схема была заимствована советской исторической наукой, только феодализм теперь охватывал время с древности до середины XIX в...

П. – искусствовед, исследователь античной культуры. На основании материала собранного в ходе научных командировок в Грецию, также крупнейшие музеи Западной Европы П. написал свою докторскую диссертацию о древнегреческой скульптуре до V в. до н.э. В центре данной работы изучение аттической скульптуры, найденной в Акрополе в 1880х гг. Через сравнение памятников Аттики с античными памятниками других областей, П. старается выявить особенности аттической скульптурной школы.

В центре внимания П. находились вопросы гражданского и сословного права, истории русского права, законодательства Допетровской Руси.

Ученый-энциклопедист: путешественник, зоолог, ботаник, палеонтолог, минералог, геолог, топограф, географ, климатолог, медик, этнолог, археолог, историк. Исследовал обширные пространства Поволжья, Прикаспия, Башкирии, Урала, Сибири, Предкавказья и Крыма. Во многих отношениях это было настоящим открытием необъятных территорий России для науки.

И. С. Пальмов является автором исследований по церковной истории и этнографии славянских народов. Уделял внимание проблемам взаимоотношений Восточного и Западного христианства. Разрабатывал и публиковал источники по истории церковной жизни в средневековой Чехии.