No campo da mecánica elaborou diversos traballos sobre as teorías da luz e as ondas electromagnéticas, e desenvolveu, xunto Albert Einstein e H. Lorentz, a Teoría da Relatividade restrinxida (tamén coñecida como Relatividade especial). A conxectura de Poincaré é unha das conxecturas (recentemente demostrada para a esfera tridimensional no espazo de catro dimensións polo matemático ruso Grigory Perelman) máis desafiantes da topoloxía alxébrica, sendo o primeiro en considerares a posibilidade do caos nun sistema determinista, no seu traballo sobre órbitas planetarias. Este traballo tivo pouco interese ata que comezou o estudo moderno da dinámica caótica en 1963.
En 1889 foi premiado polos seus traballos sobre o problema dos tres corpos, básico no ámbito da astronomía. Algúns dos seus traballos máis importantes inclúen os tres volumes de Os novos métodos da mecánica celeste (Les méthodes nouvelles de la mécanique céleste), publicados entre 1892 e 1899, e Leccións de mecánica celeste (Leçons de mécanique céleste, 1905). Tamén escribiu numerosas obras de epistemoloxía, propedéutica, metodoloxía e divulgación científica que acadaron unha gran popularidade, como Ciencia e hipótese (1901), Ciencia e método (1908) e O valor da ciencia (1904).
