Известный зоолог-морфолог, сравнительный анатом и эволюционист. Основные труды по морфологии, эмбриологии и систематике беспозвоночных животных, главным образом членистоногих, преимущественно Arachnoidea, также по морфологии червей. Им впервые еще в 1881 г. был применен метод разрезов к изучению анатомии Araneina. Ш. описал органы чувств пауков. Некоторые его работы касаются развития ракообразных, он занимался систематикой речных раков, дал описание нового вида речного рака из Туркестана. Немногие работы касаются насекомых, в частности описана туркестанская блоха. Много занимался экспериментально-эмбриологическими исследованиями. Ш.был крупным теоретиком в области зоологии, способным на широкие научные обобщения и научный синтез. Он опубликовал ряд статей по проблемам эволюции, в которых защищал и развивал теорию естественного отбора Дарвина.Он также развивал теорию мутации и ее применение к человеку, изучал роль естественного и искусственного отбора в судьбах человечества.

В центре научных интересов Ш. находились проблемы ботаники, садоводства, анатомии растений, сельского хозяйства. Чрезвычайно важен вклад ученого в преподавание ботаники в гимназиях и университетах, в изучение флоры Петербургской губернии. Во время работы в Петербургском университете устроил ботанический сад, чтобы у студентов была возможность изучать их в натуре. Всего в саду культивировалось до 600 растений. Существенно обогатил университетский гербарий.

Специалист в области античной истории, изучения представительных учреждений в древнем мире. Составлял учебные планы по истории для мужских гимназий.

Гистология и общая биология. Теория наследственности.В изучении морфологии клетки выступил сторонником теории биобластов, пропагандировал гранулярную теорию строения клетки, подчеркивая. Что клетка не является последним неразложимым морфологическим элементом. Ш. подчеркивал значение целостности организмов и значение неклеточных состояний тканевых структур в ходе гистогенеза. В своей концепции наследственности он рассматривал ее как «наивысшую функцию живого вещества», критиковал идеи Вейсмана и признавал за внешними условиями значение самого существенного фактора развития.

Ш. являлся специалистом в области теории и практики преподавания латинского языка, а также в истории русской и древнеримской литературы.

В центре научных интересов Ш. находились вопросы истории русской литературы, археографии, эпиграфики, палеографии. Открывал, исследовал и издавал множество памятников древнерусской письменности, в частности, "Шестоднев" Георгия Пизида, "Слово" Даниила Заточника, Повесть о Василии Златовласом. Важным открытием Ш. стало установление факта того, что под псевдонимом «Порфений Уродивый» скрывался Иван Грозный. Ввел в научный оборот такие рукописи, как "Указец книгохранителя Спасо-Прилуцкого монастыря Арсения Высокого. 1584 года" и "Сказка о Ерше Ершовиче сыне Щетинникове". Исследовал рукописи, обнаруженные им в церквях на Балканах. Заслугой Ш. является публикация рукописей многих классиков русской литературы - В. А. Жуковского, А. С. Пушкина, А. С. Грибоедова и др. Занимался изучением истории книгопечатания в России, являясь автором исследований о первых русских типографиях. Ш. внес важнейший вклад в развитие палеографии, расширив ее объект, отнеся к ней надписи на т.н. "вещевых" памятниках. Автор исследований по теории палеографии, а также пособий, среди которых выделяется альбом "Образцы вязи". Отдельной важной сферой исследований Ш. была история русского театра.

Морфология и систематика высших растений, флористика, палеоботаника, ботаническая география России. Выдающийся русский ботаник, основоположник палеоботаники в России, особенно выделяются его описания ископаемых растений девонского, юрского и третичного периода. В петербургский период своей деятельности подробно изучил флору Петербургской губернии. Уже в своей магистерской диссертации «О растительных помесях» 1874 г. он высказал оригинальную точку зрения на эволюционное значение гибридизации. В этой работе он впервые в русской литературе дал изложение и позитивную оценку идей Г. Менделя. Таким образом, Ш. внес важный вклад в зарождение генетики в России. После переезда в Киев Ш. написал фундаментальные работы, посвященные описанию и систематизации флоры юга Российской империи. Он был блестящим университетским преподавателем, воспитал в Киевском университете, согласно мнению его ученика Н.В. Григорьева, целую «научную школу Шмальгаузена». Ранняя смерть прервала завершение капитальной работы по палеофитологии.

Ш. – выдающийся российский и советский востоковед, специализирующийся на арабистике, исламоведении. Считается патриархом среднеазиатской национальной школы ориенталистики, так как является учредителем-ректором Ташкентского Восточного института (осн. в 1920), преобразованного в 1924 г. в Восточный факультет Среднеазиатского государственного университета (осн. в 1918 под названием Туркестанский государственный университет). И в Санкт-Петербурге-Петрограде, и в Ташкенте занимался изучением и описанием восточных рукописей, принимал непосредственное участие в научно-исследовательских экспедициях, организованных в 1920-е гг. из Ташкента в населенные киргизами и туркменами земли Средней Азии.

Анатомия, гистология, эмбриология. Описал процесс развития дыхательной системы у рептилий. В последние годы жизни изучал гистогенез разных тканей. Описал развитие плавников морского конька. В советское время занимался критикой клеточной теории, рассматривающей клетку как как единственную основную структурную единицу организмов. В своей уже посмертно опубликованной работе «Учение о клетке и современные данные гистологии и гистогенеза» он суммировал свои взгляды на строение живого вещества, показал, что разделение на клетки отсутствует, а они выделяются лишь тогда, когда ткань достигает своей конечной дифференцировки. Основатель уральской научной школы анатомов, эмбриологов и гистологов.

Зоология, ихтиология, зоогеография.Первые работы Ш. были посвящены морфологии и систематике беспозвоночных Семиречья. С 1900 г. начал заниматься ихтиологией. Первым дал очерк ихтиофауны морей Дальнего Востока, в котором также высказал ряд важных теоретических положений о ее распределении и происхождении. Ему принадлежит первая крупная работа по морским промыслам Южного Сахалина и ряд обзоров по многим группам рыб Тихого океана. Автор ряда важных теоретических работ по общей биологии. Один из мировых авторитетов по зоогеографии Тихого океана. В честь Ш. названо несколько видов рыб северной части Тихого океана, а также представитель разноногих ракообразных.