Д. И. Блохинцев — автор многих работ, посвященных теории твердого тела, физике полупроводников, оптике, акустике, квантовой механике и квантовой электронике, ядерной физике, теории ядерных реакторов, квантовой теории поля, физике элементарных частиц, философским и методологическим вопросам физики. Он объяснил на основе квантовой теории фосфоресценцию твердых тел и эффект выпрямления электрического тока на границе двух полупроводников; построил теорию звуковых явлений в движущихся и неоднородных средах; выполнил одну из первых работ по нелинейной оптике. Он много сделал для развития советской атомной науки и техники; под его руководством была спроектирована и построена первая в мире атомная электростанция. Герой Социалистического Труда, награжден четырьмя орденами Ленина и другими орденами и медалями. Лауреат Ленинской премии, Сталинской премии первой степени и Государственной премии СССР.