Основные работы Ухтомского посвящены физиологии нервно-мышечного двигательного аппарата и деятельности нервных центров. Им создано учение о доминанте, являющейся одним из основных законов деятельности нервной системы.

Учением об усвоении ритма возбуждений живыми тканями, которое позволяет вскрыть механизм эволюционного преобразования живых систем в микроинтервалах времени, он заложил основы эволюционной физиологии.