В область научных интересов П. Дюгема входили термодинамика, гидродинамика, теория упругости, магнетизм, история и философия естествознания. Он ввел понятия термодинамических потенциалов (1886) и скорости производства энтропии (1911), вывел уравнение изотермы химической реакции. Как историк естествознания, П. Дюгем преувеличивал роль науки в Средние века, смягчал реакционную роль церкви и теологии в развитии средневековой науки, что не помешало ему занять высокое место в этой области. Взгляды П. Дюгема как философа науки отразились в том числе и в книге «Физическая теория: Ее цель и строение», которая начала выходить отдельными выпусками в 1904 г., вызвав немалый интерес в научной среде. Спустя 6 лет книга была переведена в России.