В его книгах и статьях дана социально-политическая история Греко-Бактрийского и Кушанского царств, Тюркского каганата, прослежен этногенез киргизов, таджиков, туркмен, узбеков и других народов. В 1890 гг. вышел ряд исследований, связанных с историей христианства в Центральной Азии в домонгольскую и монгольскую эпоху («Мусульманские известия о Чингизидах-христианах», 1892 г.; «Ещё о христианстве в Средней Азии», 1896 г.). К этой тематике В.В. Бартольд возвращался в 1914 г. («К вопросу о Чингизидах-христианах»). В 1910 гг. рассматривал проблемы исторической роли христианского Востока, межконфессиональных культурных влияний в Средние века в обзорных работах «Турция, ислам и христианство» (1915 г.), «Культура мусульманства» (глава «Христианский Восток и его значение для ислама», 1918 г.). В этих и других сочинениях В.В. Бартольд касался тем христианского влияния на Мухаммада, роли и места христиан в сасанидском Иране, отношения к христианству малоазийских суфиев и ранних османов и др. Ряд его работ посвящён контактам христианского Запада и мусульманского Востока («Карл Великий и Харун ар-Рашид» (1912 г.), «К вопросу о франко-мусульманских отношениях» (1915 г.) и др.). В трудах «Ислам» (1918 г.), «Мусульманский мир» (1922 г.) и др. рассматривались проблемы сущности ислама, преемственности в восприятии различными народами мусульманской культуры. В исследованиях о раннем периоде ислама («К вопросу о сабиях», 1917 г.; «Мусейлима», 1925 г.; «Коран и море», 1925 г.), а также в статьях, опубликованных в «Энциклопедии ислама», В.В. Бартольд показал себя мастером научной аргументации и толкования текстов восточных авторов. Следуя традиции русских историков-востоковедов, занимался изучением арабских авторов, писавших о древних славянах («Новое мусульманское известие о русских», 1896 г.; «Арабские известия о русах», написана в 1918 г., опубликована в 1940 г.). В.В. Бартольд уделял большое внимание истории востоковедения («История изучения Востока в Европе и в России» (1911, 1925 гг.), «Обзор деятельности факультета восточных языков Петербургского университета за 1855–1905»; СПб., 1909 г.), регулярно публиковал статьи по вопросам взаимоотношений средневекового Востока и Запада в сборнике «Христианский Восток». В.В. Бартольд вёл большую педагогическую работу, был членом комиссии по переводу алфавита многих народов СССР с арабской основы на латинскую, участвовал в организации Среднеазиатского государственного университета, в создании востоковедческих библиотек и собирании восточных рукописей. Выступал с докладами на международных конгрессах и съездах востоковедов, а также читал лекции в ряде зарубежных стран (Англия, Турция и др.). Многие его монографии переведены на иностранные языки (английский, немецкий, турецкий и др.).