Основные труды по метамерии головы (1891–1901) и происхождению парных конечностей позвоночных животных (1900, 1908, 1926), а также исследования по эволюции низших позвоночных (1916–1927) получили мировое признание. В филогенетических работах стремился сопоставить данные сравнительно-анатомических и эмбриологических исследований с палеонтологическими фактами; подчёркивал необходимость изучать при выяснении филогенеза строение, развитие и функциональное значение всех систем органов. Выдвинул теорию происхождения пятипалой конечности из 7–10-лучевой конечности предков, происшедшей, в свою очередь, от многолучевого плавника древних рыбообразных форм.

Северцов – основатель эволюционной морфологии животных. Им выяснены пути и направления биологического и морфо-физиологического прогресса и регресса, создано учение о типах (модусах) филогенетических изменений органов и функций и филогенетических корреляциях (координациях). Северцов установил основные направления, которыми достигается биологический прогресс. Это ароморфоз (повышение интенсивности жизнедеятельности организма), идиоадаптация (частное приспособление к условиям существования). Центральное место в теоретическом наследии Северцова занимает проблема взаимоотношения индивидуального и исторического развития. Разработал теорию филэмбриогенеза, согласно которой эволюция совершается путём изменения хода онтогенеза. Закономерности эволюции, выясненные Северцовым, обобщены им в монографии «Морфологические закономерности эволюции» (нем. изд. 1931, рус. изд., расширенное и дополненное, 1939).

В 1969 учреждена премия имени Северцова.