Майр разрабатывал проблемы систематики, прежде всего, концепцию биологического вида. Работы Майра — в особенности «Систематика и происхождение видов» (1942) — оказали существенное влияние на развитие синтетической теории эволюции, явившейся синтезом генетики и концепций эволюции, восходящих к Дарвину.
Майр также исследовал механизмы видообразования. Ему принадлежит открытие механизма и создание теории перипатрического видообразования.
Как зоолог и натуралист Майр уделял особое внимание орнитологии. Его теоретические изыскания в вопросах систематики, биологической вариативности, видообразования и других во многом базировались на изучении птиц.
Кроме того, Майру принадлежат работы по истории науки (в частности, по истории биологии) и философии биологии.