Основные труды А. Н. Северцова были посвящены установлению закономерностей эволюции, проблемам онтогенеза. Применив сравнительно-эмбриологический метод исследования, он собрал ценный фактический материал по историческому развитию позвоночных животных и обосновал гипотезу происхождения низших позвоночных. Он установил основные направления, которыми достигается биологический прогресс (ароморфоз, идиоадаптация, дегенерация). Он также дал ряд теоретических обобщений: наиболее известна его теория филэмбриогенезов, согласно которой изменения органов, происходящие в эмбриональном развитии, являются причиной изменения этих органов у взрослых животных в процессе их эволюции. А. Н. Северцов — создатель советской школы морфологов-эволюционистов. Известность получили его труды: «Этюды по теории эволюции», «Исследования об эволюции низших позвоночных» (три монографии, объединенные общим заглавием), «Морфологические закономерности эволюции», «Главные направления эволюционного процесса» и другие.