Даль остался в истории науки прежде всего своим «Толковым словарем живого великорусского языка», четыре тома которого он опубликовал в 1861–1866 годах. Также в 1862 году он опубликовал «Пословицы русского народа. Сборник пословиц, поговорок, речений, присловий, чистоговорок, загадок, поверий и проч.», который содержит около 32 000 фраз. Более тысячи собранных им сказок Даль передал А.Н. Афанасьеву, а записанные им песни – П.В. Киреевскому.
Первые слова для своего словаря Даль записал в марте 1819 года, путешествуя по России, а последние слова – незадолго до своей смерти, в 1872 году. В словарь вошло 200 000 слов, а для иллюстрации их значений было использовано более 30 000 пословиц, поговорок и загадок. Основу словаря составил живой язык простонародья, прежде всего язык современного Далю крестьянства, представленный разнообразными региональными, производными и близкими по смыслу словами, а также примерами их использования. Писатель Андрея Белый утверждал: «Материалы далевского словаря открывают даль будущего: в корень слова вцеплять и любую приставку, и любую по вкусу концовку; даль словарных выводов Даля: истинный словарь есть ухо в языке, правящее пантомимой артикуляций его». Сам Даль писал в «Напутном слове» к словарю: «И вот с какою целью, в каком духе составлен этот словарь: писал его не учитель, не наставник, не тот, кто знает дело лучше других, а кто более многих над ним трудился; ученик, собиравший весь век свой по крупице то, что слышал от учителя своего,
В 1863 году Даль был избран почетным членом Академии наук по Отделению естественных наук. В 1868 году Далю была присуждена Константиновская золотая медаль – высшая награда Русского географического общества. В 1868 году он был избран в почетные члены Императорской академии наук по историко-филологическому отделению. В 1869 году Даль был удостоен Ломоносовской премии.