В своих работах Н. Г. Дебольский рассматривал проблемы теории познания, истории развития диалектического метода, эволюционной теории, этики. Его философская эволюция прошла несколько этапов: от материалистических взглядов к позитивизму, а затем от И. Канта к системе объективно-идеалистической философии, созданной под сильным влиянием Гегеля. Собственную философскую позицию он определял как "феноменальный формализм". В своем главном сочинении "Философия феноменального формализма" (1892-1895; в 2 т.) он, в отличие от Гегеля, подчеркивал резкое различие между абсолютным духом, которому доступно сущностное содержание бытия, и ограниченным умом человека, усваивающим лишь формальную сторону абсолютного духа. Важнейшим и необходимым условием развития философского знания Н. Г. Дебольский признавал последовательный скептицизм, преодолевающий любые формы догматизма. Известность получили его труды: "Введение в учение о познании" (1870), "О диалектическом методе" (1872), "Философия будущего" (1882), "О высшем благе" (1886) и другие. Он также редактировал русский перевод книги Дж. Беркли "Трактат о началах человеческого знания" и перевел на русский язык "Науку логики" Гегеля.