Основные работы относятся к геометрии "в целом". Ему принадлежит окончательное решение классической проблемы однозначной определимости выпуклой поверхности ее внутренней метрикой. Доказал внешнюю регулярность выпуклых поверхностей с регулярной внутренней метрикой. Решил проблему Вейля об изометрическом погружении "в целом" двумерного риманова многообразия в трехмерное риманово пространство. Разработал нелинейную теорию упругих оболочек, решил многомерную проблему Минковского о существовании замкнутой выпуклой гиперповерхности, гауссова кривизна которой является заданной функцией внешней нормали. Полностью решил четвертую проблему Гильберта. В творчестве Погорелова связаны геометрические методы с аналитическими методами теории дифференциальных уравнений с частными производными. Его труды оказали существенное влияние также на теорию нелинейных дифференциальных уравнений.
