Научное творчество Д. А. Граве было чрезвычайно разносторонним. Ряд его работ был посвящен труднейшим вопросам алгебры, теории чисел и теории групп, математическим основам картографии, интегрированию частных дифференциальных уравнений. Он решил проблему о нахождении всех интегралов системы дифференциальных уравнений задачи трех тел, не зависящих от закона действия сил; дал решение задач картографических проекций; нашел некоторые классы уравнений пятой степени, разрешимых в радикалах. Он много работал в области прикладной математики и механики. Всего за 55 лет научной деятельности им было опубликовано порядка 180 научных работ и учебников по математике; содержание многих из них выходило далеко за пределы университетских программ. Д. А. Граве стал основателем математической школы; в числе его учеников выдающиеся ученые, занявшие кафедры во многих вузах СССР, — Н. И. Ахиезер, Б. Н. Делоне, М. Ф. Кравчук, Н. Г. Чеботарев, О. Ю. Шмидт и другие.