Основные работы С. Н. Беляевой-Экземплярской были посвящены изучению музыкального восприятия во взаимосвязи с закономерностями музыкального языка, личностно-возрастными и социально-психологическими особенностями музыкального развития слушателей и др. Она создала оригинальные экспериментальные методики исследования восприятия мелодического движения, психологических особенностей и типологии музыкального восприятия детей. На этой основе ею был собран и обобщен обширный фактологический материал, относящийся к различным аспектам восприятия музыки. Ее труды стали классикой отечественной музыкальной психологии. В их числе: «О психологии восприятия музыки», «Музыкальное восприятие в дошкольном возрасте» (на немецком языке), «Восприятие мелодического движения», «Заметки о психологии восприятия времени в музыке», исследование иллюзий зрительного восприятия «Моделирование одежды по законам зрительного восприятия» и другие.