Dorobek naukowy W dorobku Biechtieriewa znajduje się około 800 prac. Badał ośrodki autonomiczne w korze mózgu, jądra podkorowe i szlaki wewnątrzmózgowe. Wykazał także istnienie antagonistycznych ośrodków w ośrodkowym układzie nerwowym. Razem z Pawłowem był prekursorem refleksologii. Uważał, że wszelkie zachowania człowieka, także te wyższe, można uznać za zachowania odruchowe. Z jego nazwiskiem związanych jest kilkanaście jednostek chorobowych, odruchów i struktur anatomicznych.
Na polu psychologii dążył do obiektywizacji i jasnego określenia zakresu zainteresowania tej dziedziny wiedzy, chcąc włączyć ją w główny nurt nauki, umożliwiając stosowanie odpowiedniej metodologii. Uważa się, że jego idee wyprzedzały koncepcję behawioryzmu Watsona.
Jako jeden z pierwszych opisał zesztywniające zapalenie stawów kręgosłupa, nazywane w Polsce chorobą Bechterewa (niemiecki zapis nazwiska).
Określenie oczopląsu Bechterewa odnosi się do oczopląsu spowodowanego uszkodzeniem błędnika. Odruchy Bechterewa-Jacobsohna i Mendla-Bechterewa mogą świadczyć o uszkodzeniu dróg piramidowych.