Взгляды Я. складывались под влиянием феноменологии Гуссерля, французской поэзии (Малларме), русской культуры и русского авангарда (Хлебников).
Свою теорию языка разрабатывал на основе критического переосмысления идей Ф. де Соссюра в сотрудничестве с Н. С. Трубецким, в диалоге с Л. Ельмслевым и другими лингвистами. В центре исследовательских интересов Я. находилось двуединство звука и значения в речи и языке, служившее основой его фонологической концепции и поэтики. Я. внес значительный вклад в развитие фонологии, в обновление и расширение ее компетенции. Он предложил рассматривать в качестве ее предмета не фонемы, а различительные признаки, распространил применение структурных принципов на область морфологии, существенно усилил роль диахронии в фонологии, что позволило ему углубить теорию эволюции языка. Используя типологический подход, он нашел ключ к объяснению происходящих в языке глубоких сдвигов и изменений. В отличие от Соссюра, не считал, что связь между означающим (звук) и означаемым (смысл) произвольна, ничем не мотивирована.Столь же значительным был вклад Я. в разработку других областей лингвистики. Его исследования общей системы значений глагола способствовали развитию современной семантики. Он сыграл важную роль в разработке новейших методов грамматического описания языковых явлений. Его оригинальный труд о евразийском языковом единстве существенно обогатил общую лингвистику. Я. много сделал для определения места лингвистики среди других наук, для сближения ее с математикой, теорией коммуникации и другими научными дисциплинами, что способствовало обновлению ее понятийного аппарата. Он был инициатором применения лингвистических методов в сравнительной мифологии, этнологии и антропологии, что нашло многочисленных последователей и привело к возникновению новых научных направлений. В начале 50-х годов он выступил инициатором оживления интереса к семиотике, получившей впоследствии бурное развитие (см.: Семиотическая эстетика).
Многие идеи Я. легли в основу структурализма, понимаемого в философском смысле. Он одним из первых начал изучать точки соприкосновения лингвистики и биологии, имеющиеся соответствия между лингвистическим и генетическим кодами, корреляции нарушений речи с деятельностью определенных мозговых центров. В одной из последних своих работ он рассматривает вопрос о роли бессознательного в функционировании языка. Опираясь на собственные результаты и исследования других авторов, выдвинул философскую гипотезу о предопределенности наших представлений о мире языков. Изучение языка Я. органически сочетал с исследованиями в области литературоведения. Он создал совершенно новую концепцию поэтики, в основе которой лежит лингвистический взгляд на словесное творчество — литературу, поэзию и фольклор.В межвоенные годы его мысль движется преимущественно в русле идей формальной школы (см.: Формальный метод)
и русского авангарда — с их радикализмом, крайностями, поиском «заумного» (см.: Заумь) или беспредметного языка и т. д. Я. выдвигает ставшее знаменитым понятие «литературность», имея в виду под ним главным образом лингвистический, грамматический аспект литературы и определяя его в качестве действительного предмета литературоведения. Он также провозглашает технический, формальный прием «единственным героем» науки о литературе. Позднее взгляды Я. становятся более уравновешенными, хотя проблема единства литературы и лингвистики, грамматики и поэзии остается для него главной и центральной. В своей теории речевого общения он вычленяет шесть основных функций языка, особо выделяя среди них поэтическую, которая присуща всем языковым формам, однако только в поэзии становится доминирующей. Отсюда — «поэзия есть язык в его эстетической функции», а поэтика — «это лингвистическое исследование поэтической функции вербальных сообщений в целом и поэзии в частности».Я. подчеркивал, что изучение особенностей языка в поэзии позволяет полнее объяснять как его функционирование, так и его историческую эволюцию. Поэзия играет двойную роль по отношению к языку: она предполагает его нарушение и в то же время выявляет действие скрытых законов, которые нельзя раскрыть другими способами его использования. Она является не отклонением от обычного языка, но реализацией его скрытых возможностей. Соответственно поэтика и лингвистика помогают друг другу в познании как обычного, так и поэтического языка. В отличие от традиционного литературоведения, где в центре внимания находятся образность слов, их скрытый смысл и вызываемые ими ассоциации мыслей и чувств, Я. исследует место и роль грамматических фигур в совокупной символике произведения, что нашло отражение в названии одной из его работ — «Поэзия грамматики и грамматика поэзии».