Основные работы М. Шварцшильда были посвящены теории строения и эволюции звезд. Он первым ввел физический закон выделения энергии при термоядерных реакциях в систему уравнений, характеризующих равновесную звезду, и в 1941 г. осуществил первый подобный расчет для Солнца. Предложил очень тщательно разработанную модель Солнца и, исходя из нее, получил характеристики дифференциального вращения Солнца, удовлетворительно согласующиеся с наблюдательными данными. Им был сделан большой вклад в теоретическое изучение красных гигантов, а в 1950-х гг. выполнены обширные расчеты моделей звезд с неоднородным химическим составом, характерным для поздних стадий эволюции. В 1955 г. М. Шварцшильд (совместно с Ф. Хойлом) впервые рассчитал эволюцию звезды на стадии красного гиганта. В 1950–1960-х гг. руководил проектом «Стратоскоп», задачей которого был подъем автоматического телескопа на воздушном шаре в стратосферу для фотографирования астрономических объектов с высоким угловым разрешением. Последние годы жизни М. Шварцшильд занимался изучением динамики эллиптических галактик.