Основные труды М. А. Наймарка были посвящены теории функций и функциональному анализу. Он много сотрудничал с выдающимся математиком И. М. Гельфандом; вместе они разработали теорию некоммутативных нормированных колец с инволюцией, продемонстрировав, что такие кольца всегда могут быть представлены в виде колец линейных операторов в гильбертовом пространстве. Известность получили и его работы в области теории представлений групп Ли. Всего он написал около 130 работ, среди которых ставшие всемирно известными монографии "Нормированные кольца" (первая в мировой научной литературе книга на эту тему), "Линейные дифференциальные операторы", "Теория представлений групп" (одновременно учебник и подробный справочник по классической теории групп Ли и их конечных представлений).