Ю. А. Владимиров — основоположник медицинской биофизики в СССР и России. Он внес существенный вклад в становление таких разделов биофизики, как биофотоника, медицинская мембранология и разработка биофизических методов клинического лабораторного анализа. Он изучил индуктивно-резонансный перенос энергии в молекуле гемоглобина и измерение переноса энергии, что широко используются в мировой науке для изучения структуры белков, открыл явление собственного (сверхслабого) свечения при биохимических реакциях, положившее начало исследованиям в этой области в СССР и в мире. Общепризнаны исследования Ю. А. Владимирова и его сотрудников в области изучения механизма свободнорадикального окисления липидов и действия этого процесса на мембранные структуры клеток.