Сфера научных интересов Я. А. Смородинского была чрезвычайно обширна. Он был ученым-энциклопедистом, специалистом в области ядерной физики, теории элементарных частиц, общей теории относительности, теории групп и методов симметрии в физике, квантовой алгебры. В своих работах он рассмотрел преобразования Радона в применении к разложениям релятивистских амплитуд, разрабатывал метод деревьев и различные вопросы гармонического анализа. В Лаборатории № 2 он занимался разработкой теоретических вопросов атомной физики, созданием теории каскадов диффузионных машин для разделения изотопов урана. В соавторстве с Л. Д. Ландау им была написана книга "Лекции по теории атомного ядра". Он также получил известность как исследователь истории науки. Совместно с Б. Г. Кузнецовым и И. Е. Таммом он редактировал издание трудов А. Эйнштейна в 4 томах; руководил изданием собрания научных трудов В. Паули, подготовкой к изданию трудов В. Гейзенберга в 2 томах; редактировал лекции по физике Р. Фейнмана, занимательные задачи М. Гарднера.