
Исследования посвящены атомной и ядерной физике, спектроскопии, квантовой теории, магнетизму, истории физики. Выполнил прецизионные опыты по определению постоянной в законе Стефана-Больцмана, величины давления излучения. В 1922 совместно с О. Штерном провел эксперимент, доказывающий наличие магнитного момента у атома - пространственное квантование (опыт Штерна-Герлаха). В 1931-32 вывел эмпирические соотношения между удельным электрическим сопротивлением и намагниченностью ферромагнетиков во внешнем магнитном поле (формулы Герлаха). Положил начало (1926) количественному спектральному анализу. Изучал анизотропию кристаллов железа.