В круг научных интересов Б. В. Томашевского входили творчество А. С. Пушкина, французская поэзия, русская классическая литература, проблемы текстологии, стиховедения, стилистики и лексикологии, а также теории литературы в целом. Он принимал активное участие в подготовке и редактировании академических изданий сочинений Ф. М. Достоевского, А. Н. Островского, избранных текстов А. П. Чехова, полного академического собрания сочинений Пушкина (1937–1949); участвовал в составлении словаря языка Пушкина и издании пушкинских томов «Литературного наследства». Его важнейшими научными заслугами являются разработка принципов текстологии как особой литературоведческой дисциплины и применение этих принципов на практике, введение и осмысление обширного нового материала в пушкинистику, разработка систематического курса поэтики и создание для этого курса учебного пособия. Труды Б. В. Томашевского, многие из которых переведены на иностранные языки, оказали влияние на формирование ряда известных пушкинистов, текстологов и стиховедов и на развитие филологической науки в целом.