В 1901 г. вместе с другими учениками Ф.Ф. Фортунатова (Николаем Николаевичем Соколовым, Дмитрием Николаевичем Ушаковым) организовал кружок по изучению истории и диалектологии русского языка, в 1903 г. преобразованный в Московскую диалектологическую комиссию (МДК) при Отделении языка и словесности Академии Наук. Трудами комиссии была создана русская диалектология как научная дисциплина. Н.Н. Дурново разработал программы для сбора сведений о русских говорах, по которым обследовались диалекты в губерниях России. На основе этих сведений была создана классификация восточнославянских диалектов и составлена диалектологическая карта русского языка в европейской части страны. Совместно с Д.Н. Ушаковым и Н.Н. Соколовым Н.Н. Дурново издал «Диалектологическую карту русского языка в Европе» (Петроград, 1914 г.) и «Опыт диалектологической карты русского языка в Европе: С приложением очерка русской диалектологии» (М., 1915 г.). Диалектологические исследования Н.Н. Дурново были обобщены в «Кратком очерке русской диалектологии» (Харьков, 1914 г.) и в книге «Диалектологические разыскания в области великорусских говоров» (М., 1917 г. Часть 1. Выпуск 1; 1918 г. Выпуск 2), которая была защищена им как докторская диссертация в Петроградском университете в 1918 г. В области грамматики и общей теории языка Н.Н. Дурново, развивая идеи московской лингвистической школы, занимался поиском объективных («формальных») критериев разграничения и классификации морфем (единиц морфологии). В программных работах первой половины 1920 гг. «В защиту логичности формальной грамматики», «Что такое синтаксис?», «О формальной грамматике и логике» отстаивал формальный подход к описанию грамматических явлений в дискуссии со Львом Владимировичем Щербой, Виктором Владимировичем Виноградовым. На идеях школы Ф.Ф. Фортунатова был основан и составленный Н.Н. Дурново «Грамматический словарь» (М.; Петроград, 1924 г. М., 2001 г.) – первый в России и один из первых в мире словарь лингвистических терминов. В его обширном наследии особое место занимают труды по истории славянских языков, в частности, по истории церковнославянского языка, сохраняющие актуальность в настоящее время. Как фундаментальные труды Н.Н. Дурново («Очерк истории русского языка». М.; Л., 1924 г.; «Введение в историю русского языка». Brno, 1927 г.; «Русские рукописи XI и XII вв. как памятники старославянского языка», 1924 г.; «Мысли и предположения о происхождении старославянского языка и славянских алфавитов». 1929 г.; «Славянское правописание X-XII вв.». 1933 г.), так и его статьи, посвящённые отдельным памятникам письменности и языковым явлениям (ср., например: «К вопросу о языке Киевских листков», «Мюнхенский абецедарий» и др.), отличаются тщательностью проведённого анализа языкового материала и масштабностью филологической мысли.