Пуанкаре принадлежат выдающиеся исследования в различных областях математики, физики, математической физики. Астрономические работы Пуанкаре относятся к небесной механике и космогонии. Его исследования по качественной теории дифференциальных уравнений имеют важное значение при решении различных прикладных задач, особенно в небесной механике. В труде "Новые методы небесной механики" (т. 1-3, 1892-99), а также в "Лекциях по небесной механике" (т. 1-3, 1905-10).Пуанкаре развил и усовершенствовал классические методы решения задач, связанных с изучением возмущенного движения. Исследовал периодические и асимптотические решения дифференциальных уравнений, ввел методы малого параметра, уравнения в вариациях, разработал теорию интегральных инвариантов, в дальнейшем примененную в теории устойчивости. В области космогонии Пуанкаре наряду с общей теорией устойчивости движения разработал вопрос о фигурах равновесия гравитирующих жидких масс, что способствовало развитию представлений о происхождении двойных звезд путем деления одиночных вращающихся звезд. В книге "Лекции о космогонических гипотезах" (1911) дал высокую оценку космогонической гипотезы Лапласа, считая основные ее положения наиболее обоснованными. В 1905, почти одновременно с А.Эйнштейном и независимо от него, в монографии "Динамика электрона" (1906) выдвинул основные положения специальной теории относительности. В философской практике общефизических проблем Пуанкаре стоял на идеалистических позициях.
Член Лондонского королевского об-ва (1894), иностранный чл.-кор. Петербургской АН (1895), президент Французского астрономического общества, член Бюро долгот в Париже (1893). Золотая медаль Лондонского королевского астрономического общества (1900), медаль им. Дж.Дж.Сильвестера Лондонского королевского общества (1901), Золотая медаль фонда им.Н.И.Лобачевского, премия им.Я.Бойяи (1905), Золотая медаль Французской ассоциации содействия развитию науки (1909). Его именем назван кратер на обратной стороне Луны. Труды Пуанкаре изданы Парижской АН в 10 томах (1916-54). В переводе на русский язык опубликованы его "Лекции по небесной механике" (1965) и "Избранные труды" (т. 1-3, 1971-74).