Я. К. Гроту принадлежит ряд трудов по истории русской литературы, среди которых видное место занимают комментарии к монументальному изданию сочинений Г. Р. Державина в 9 томах (1864–1883), создавшему особый "гротовский" тип изданий классиков. Он изучал также историю шведской и финской литературы, скандинавский фольклор и морфологию. Широкую известность ему принесли работы в области русской орфографии: "Спорные вопросы русского правописания от Петра Великого доныне" (1873) и "Русское правописание" (справочник, выдержавший 22 издания в 1885–1916 гг.); в них он сформулировал основные принципы правописания — фонетический и историко-этимологический, а также предложил нормы русской (дореформенной) орфографии, по которым его пособие было наиболее авторитетным вплоть до реформы 1918 г. Работы Я. К. Грота считаются первым теоретически обоснованным сводом правил русской орфографии. Он был также выдающимся лексикографом; в 1891 г. начал выходить редактируемый им академический "Словарь русского языка", однако смерть помешала закончить эту работу, продолженную затем А. А. Шахматовым.