Основные труды посвящены установлению закономерностей эволюции, проблемам онтогенеза. Применив сравнительно-эмбриологический метод исследования, Северцов А. Н. собрал ценный фактический материал по историческому развитию позвоночных животных и обосновал гипотезу происхождения низших позвоночных. Дал ряд теоретических обобщений: наиболее известна его теория филэмбриогенезов, согласно которой изменения органов, происходящие в эмбриональном развитии, являются причиной изменения этих органов у взрослых животных в процессе их эволюции. Разработал теорию о четырёх типах эволюционного процесса: ароморфоз, идиоадаптация, ценогенез, общая дегенерация. Считал, что единственной причиной филогенетических изменений является изменение среды. Предложил понятие мультифункциональности органов.