Научные труды О. Д. Хвольсона касались почти всех разделов физики, но наибольшее значение среди них имело экспериментальное и теоретическое исследование внутренней диффузии света (1886–1889) и режима солнечного излучения (1892–1896). Он предложил конструкции актинометра и пиргелиометра, которые долгое время использовались на русских метеорологических станциях. После 1896 г. занимался главным образом составлением «Курса физики» (в 4 т.; 1892–1915), который долгое время оставался основным пособием для советских вузов. О. Д. Хвольсон имел широкую известность и как автор ряда популярных книг, и особенно как лектор, умевший «держать» аудиторию то в нарастающем, то в ослабляемом напряжении и увлекательно излагавший самые сложные вопросы.