Основное направление исследований Л. С. Полака — химия экстремальных состояний. Он создал теоретические основы плазмохимии; разработал методы расчета параметров принудительной закалки продуктов реакции в плазменной струе и способы управления химическими процессами в низкотемпературной плазме; предложил способы оптимизации процессов получения в плазменной струе ацетилена из метана, олефинов из низкооктановых бензинов, формальдегида из метана, оксидов азота из азот-кислородных смесей. Также Л. С. Полак создал методы математического моделирования явлений физической и химической кинетики. Его историко-научные работы были посвящены вариационным принципам механики, истории аналитической механики, квантовой механики, оптики, теории теплоты и т. д. Под его редакцией издавались книги серии «Классики науки» и был подготовлен двухтомный коллективный труд «Развитие физики в СССР, 1917–1967».