Учёный в области фундаментальных отраслей современной биофизики, специалист в области биологии клетки, доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент АН СССР по отделению биохимии, биофизики и химии физиологически активных соединений (биология клетки).

Основные труды по созданию современных биофизических методов исследования с использованием ЭВМ и когерентной оптики и их применению в цитологии: по машинному изучению клеточного строения мозга, анализу клеток крови, машинному построению кариотипа. Под его руководством был усовершенствован сканирующий оптический микроскоп, организован центр машинного анализа клеточных структур.

Создал математические основы компьютерного анализа микрообъектов и создал компьютерный центр по анализу микрообъектов живой и неживой природы (клетки, хромосомы, аэрозоли, порошки и т. п.). Разработал первую в мире техническую систему, имитирующую процессы зрения, которая была запатентована за рубежом, а затем по лицензии выпущена фирмой «Карл Цейсс-Йена» под названием «Морфоквант».

Провёл ряд собственных оригинальных исследований по обнаружению новых классов динамических автоволновых структур в химических, физических и биологических средах. На основе этих исследований было сформировано новое направление в науке — биосинергетика.

Совместно с д. м. н. Белоярцевым и академиком Кнунянцем сформировал государственную комплексную целевую программу «Перфторуглероды в биологии и медицине», объединив в этой работе более 40 исследовательских, клинических организаций и промышленных предприятий. В рамках этой работы руководимым им коллективом был создана первая в мире «синтетическая кровь» — перфторан («голубая кровь»).

В 1970-х организовал программу «Полис» и движение среди научных работников по использованию интеллектуального потенциала в общеобразовательной школе. Чтобы привить школьникам интерес к науке, написал книги и совместно со студиями Центрнаучфильм и Леннаучфильм создал 10 научных и научно-популярных фильмов, пропагандирующих достижения науки.

В начале 2000-х годов совместно с Е. П. Хижняком развил новое направление исследований теплопродукции организмов, включая человека, на основе современных матричных инфракрасных камер, что позволило по-новому проводить оценку состояния организма по тепловому портрету.

Член ряда зарубежных академий и научных обществ, Соросовский профессор, член бюро Научного совета РАН по биофизике, неоднократно избирался членом Международного союза чистой и прикладной биофизики (IUPAB). Входил в состав редколлегий ряд отечественных и международных журналов. Автор более 400 научных работ, 12 монографий, многих патентов.