М. И. Гиллельсону принадлежат широко известные работы о Лермонтове, Герцене, Пушкине, истории русской печати и цензуры. Он ввел в историко-литературный обиход понятие «арзамасское братство» в конце 1950-х годов, когда исследовательская традиция рассматривала «Арзамас» как более или менее локальный и ограниченный по своим задачам литературный кружок. С его именем связано начало нового этапа в изучении Вяземского. Он осуществил издание «Хроники русского» А. И. Тургенева и его дневников за 1825—1826 годы. Он издал свод русской эпиграммы первой половины XIX века; при его ближайшем участии был собран и прокомментирован корпус сочинений М. Ф. Орлова.