Научные исследования Ферма охватили почти все области математики его времени. Он заложил основы аналитической геометрии, исчисления бесконечно малых, теории вероятностей. Ферма занимался задачами нахождения касательных и экстремумов, определения площадей и объемов, проблемами механики и геометрической оптики, где ему принадлежит основной принцип распространения света в неоднородной среде. Но наибольшую известность ему принесли работы по теории чисел, где с его именем связаны две знаменитые теоремы: малая теорема Ферма и великая теорема Ферма. При жизни результаты исследований Ферма становились известны ученым благодаря переписке и личному общению, а после смерти большинство из работ было издано его сыном.