Основные научные работы Дирихле были выполнены в области теории чисел и математического анализа. Он доказал теорему о существовании бесконечно большого числа простых чисел во всякой арифметической прогрессии из целых чисел, первый член и разность которой взаимно просты. В области математического анализа Дирихле впервые точно сформулировал и исследовал понятие условной сходимости ряда, дал строгое доказательство возможности разложения в ряд Фурье функции, имеющей конечное число максимумов и минимумов (интеграл Дирихле). Также значительных результатов Дирихле добился в области механики и математической физики. Он получил широкую известность и как преподаватель — лекции Дирихле оказали огромное влияние на многих выдающихся математиков, в том числе Б. Римана, Ф. Эйзенштейна, Л. Кронекера, Р. Дедекинда.