Иллич-Свитыч связал балто-славянскую систему ударения с праиндоевропейской, восстанавливаемой по индо-иранским, греческим и германским данным. Именем Иллич-Свитыча был назван открытый им праславянский фонетический закон, заключающийся в переходе существительных *-o-склонения мужского рода баритонированной парадигмы в подвижно-окситонированную парадигму. Он утверждал: «Язык – это брод через реку времени, он ведет нас к жилищу умерших; но туда не сможет дойти тот, кто боится глубокой воды». Иллич-Свитыч стало обосновал ностратическую гипотезу, выдвинутую в начале XX века Х. Педерсеном, но только после создания Иллич-Свитычем этимологического словаря и сравнительной фонетики ностратических языков приобрела статус научной теории. Иллич-Свитыч настаивал на существовании ностратических языков (от лат. noster, род. п. nostrātis «наш», «нашего круга», «здешний») – гипотетической языковой макросемьи, объединяющая несколько языковых семей и языков Европы, Азии и Африки, в том числе алтайские, картвельские, дравидийские, индоевропейские, уральские, иногда также афразийские, чукотско-камчатские и эскимосско-алеутские языки. Все они восходят к гипотетическому единому праностратическому языку. Ученым был обработан огромный материал индоевропейских, уральских, алтайских, картвельских, дравидских и афразийских языков, установлены системы регулярных фонетических соответствий между этими семьями, реконструирован фонетический облик праязыка, обобщено и выдвинуто около 600 этимологий, а также объяснены многие факты в истории ветвей ностратической макросемьи, которые без внешнего сравнения оставались непонятными. Он утверждал: «Отсутствие достаточной координации между отдельными отраслями компаративистики долгое время препятствовало осознанию того факта, что многие из частных сходств, обнаруживаемых при сравнении двух языковых семей, являются в действительности лишь проявлением сходств более широких, охватывающих несколько языковых семей. <…> Подобная ситуация предполагает существование не двух родственных языков, но достаточно обширной языковой семьи, сравнительную работу по исследованию которой, естественно, следовало бы вести с привлечением данных максимального количества языков, входящих в эту семью». Вяч. Вс. Иванов заслугой Иллича-Свитыча считал «отнесение хронологических границ возможной реконструкции далеко назад – больше чем на 10 тысяч лет… По мере того, как обнаруживаются наиболее древние семьи языков, подобные ностратической (включающей индоевропейскую, алтайскую, картвельскую и ряд других ветвей) и северокавказско-енисейско-тибетокитайской, увеличивается число доводов, говорящих в пользу единого происхождения этих макросемей. Главный труд Иллича-Свитыча был издан посмертно: «Опыт сравнения ностратических языков (семитохамитский, картвельский, индоевропейский, уральский, дравидийский, алтайский). Введение. Сравнительный словарь» в 3 томах (1971, 1976, 1984). Иллич-Свитыч также является автором (в соавторстве с Д. Толовски) «Македонско-русского словаря» (1963) с приложенной к нему составленной им краткой грамматикой македонского литературного языка.
